VT_Polimeros Inteligentes y Aplicaciones - e-Archivo Principal

CIRCULO DE INNOVACION EN MATERIALES, TECNOLOGÍA
AEROESPACIAL Y NANOTECNOLOGÍA
PARQUE CIENTÍFICO DE LA UNIVERSIDAD CARLOS III DE MADRID
LEGANÉS TECNOLÓGICO
POLÍMEROS INTELIGENTES
Y
APLICACIONES
Informe de Vigilancia Tecnológica
Encarnación Cano Serrano
Marina Urbina Fraile
2009
FEDER
Acción
Innovadora
Este informe de Vigilancia Tecnológica ha sido cofinanciado con Fondos FEDER y
se ha realizado dentro del marco del Contrato Programa suscrito entre la Dirección
General de Universidades e Investigación de la Comunidad de Madrid y la Universidad
Carlos III de Madrid, con la colaboración del Parque Científico de Leganés que gestiona el
Círculo de Innovación en Materiales, Tecnología Aeroespacial y Nanotecnología.
Los autores agradecen el apoyo incondicional de su compañera Lidia Cerezo García y
los consejos e información aportada a:
Dr. Francisco del Monte Muñoz de la Peña. Departamento de Materiales Particulados.
Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid (CSIC).
Dra. Blanca Vázquez Lasa. Departamento de Biomateriales. Instituto de Ciencia y
Tecnología de Polímeros (CSIC).
Profesor Julio San Román del Barrio. Director del Departamento de Biomateriales.
Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (CSIC).
Los autores agradecen los sabios consejos y la corrección del manuscrito original de
los capítulos 1 y 2 a:
Profesor Juan Baselga Llidó. Catedrático del Departamento de Ciencia e Ingeniería de
Materiales e Ingeniería Química. Universidad Carlos III de Madrid.
Y del capítulo 3 a:
Dr. Jorge Pleite Guerra. Departamento de Tecnología Electrónica.
Universidad
Carlos III de Madrid.
Dr. Francisco Manuel Martín Saavedra. Doctor en Ciencias Biológicas por la
Universidad Complutense de Madrid.
ÍNDICE DE CONTENIDOS
RESUMEN EJECUTIVO _____________________________________________ 1
CAPÍTULO I. MATERIALES INTELIGENTES __________________________ 3
CAPÍTULO II. POLÍMEROS INTELIGENTES __________________________ 5
II.1. TIPOS DE POLÍMEROS INTELIGENTES _______________________________ 7
II.1.1. Polímeros reticulados (geles) ___________________________________________________8
II.1.2. Polímeros lineales y copolímeros en bloque________________________________________9
II.1.3. Mezclas de polímeros _______________________________________________________10
II.1.4. Redes interpenetradas (IPN) __________________________________________________10
II.1.5. Polímeros con memoria de forma (SMP: Shape-Memory Polymers) ____________________11
II.2. CLASIFICACIÓN ATENDIENDO AL ESTÍMULO _______________________ 12
II.2.1. Temperatura ______________________________________________________________13
II.2.2. pH _____________________________________________________________________14
II.2.3. Luz _____________________________________________________________________15
II.2.4. Campo eléctrico ___________________________________________________________16
II.2.5. Campo magnético __________________________________________________________17
II.2.6. Reconocimiento molecular ___________________________________________________18
II.3. CLASIFICACIÓN ATENDIENDO A LA RESPUESTA ____________________ 19
II.3.1. Hinchamiento/contracción (Swell/shrink) _______________________________________19
II.3.2. Flexión __________________________________________________________________20
II.3.3. Color ___________________________________________________________________21
II.3.4. Cambio de estado __________________________________________________________22
II.3.5. Luminiscencia _____________________________________________________________22
II.3.6. Conductividad_____________________________________________________________23
CAPÍTULO III. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS INTELIGENTES _ 31
III.1. APLICACIONES EN BIOTECNOLOGÍA Y MEDICINA__________________ 31
III.1.1. Materiales Inteligentes ______________________________________________________31
III.1.2. Polímeros Inteligentes ______________________________________________________32
III.2. APLICACIONES EN TECNOLOGÍAS ELECTRÓNICAS_________________ 41
III.3. OTRAS APLICACIONES _____________________________________________ 47
CAPÍTULO IV. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO ___________________________ 61
IV.1. ANÁLISIS POR SECTORES DE ACTIVIDAD ___________________________ 61
IV.2. ANÁLISIS POR NÚMERO DE PUBLICACIONES Y PATENTES __________ 63
ANEXO I. PATENTES _______________________________________________ 65
ANEXO II. PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN ________________________ 70
ANEXO III. GRUPOS DE INVESTIGACIÓN ___________________________ 73
ANEXO IV. TESIS DOCTORALES ____________________________________ 79
ANEXO V. CRITERIOS DE BÚSQUEDA_______________________________ 81
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
RESUMEN EJECUTIVO
El campo de los materiales inteligentes es amplio y variado, no sólo respecto a la
terminología empleada, sino también en referencia a sus aspectos técnicos y aplicaciones.
Existen distintos tipos de materiales inteligentes y diferentes formas de clasificarlos.
Para limitar la temática que se desea abarcar en este documento, las búsquedas
bibliográficas se han centrado en el área de los polímeros inteligentes.
A través de este informe de vigilancia tecnológica se pretende dar una visión general
de este tipo de materiales y explicar qué son, cómo funcionan, cómo clasificarlos y sus
aplicaciones en distintos sectores de actividad, teniendo siempre en cuenta que debido a la
complejidad del tema, se han seleccionado determinadas palabras clave para la búsqueda de
información.
No existe una única definición de polímero inteligente, no obstante se puede
afirmar que es aquel que ante un estímulo exterior sufre cambios en sus propiedades físicas
y/o químicas.
En este informe de Vigilancia Tecnológica se ha planteado la clasificación de los
polímeros inteligentes desde tres puntos de vista:
•
Según el tipo de material polimérico,
•
Atendiendo al estímulo que reciben y
•
Atendiendo a la respuesta que proporcionan.
Entre los diferentes tipos de polímeros, en este documento se han destacado los
polímeros reticulados o geles, los polímeros lineales y copolímeros en bloque, las mezclas
de polímeros, las redes interpenetradas y los polímeros con memoria de forma.
Según algunos autores, los polímeros inteligentes pueden clasificarse en función de su
sensibilidad hacia un estimulo exterior. De esta forma, cuando un polímero es sensible
a la temperatura recibe el nombre de polímero termosensible, si es sensible al campo
eléctrico se denomina electrosensible, los sensibles a la luz son llamado polímeros
fotosensibles, etc.
En este informe se describe como afectan a las propiedades de los polímeros
inteligentes los siguientes estímulos: temperatura, pH, luz, campo eléctrico, campo
magnético y reconomiento molecular. En esta sección se citan algunos de los trabajos de
investigación relacionados con el estímulo correspondiente.
Los polímeros inteligentes pueden clasificarse también según la respuesta que
manifiesten frente a un cierto estímulo, como se expone en el documento. En concreto
1
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
se han mencionado ejemplos de polímeros inteligentes que frente a los estímulos muestran
respuestas de tipo: hinchamiento/contracción, flexión, cambio de color, cambio de estado,
luminiscencia y conductividad.
El análisis de la literatura científica y la actividad inventiva ha revelado que las
aplicaciones más frecuentes y prometedoras de los polímeros inteligentes se centran en el
campo de la biotecnología y medicina y en las tecnologías electrónicas. Atendiendo a la
bibliografía recabada, el capítulo III se ha dividido en tres apartados: el primero describe
algunas de las aplicaciones en biotecnología y medicina de los polímeros inteligentes, el
segundo cita las potenciales aplicaciones de polímeros inteligentes en tecnologías
electrónicas y en el tercero se hace referencia a otras aplicaciones de estos polímeros para la
industria textil o agroalimentaria.
En el primer apartado del capítulo III, gran parte de los estudios recopilados están
relacionados con las aplicaciones de los polímeros inteligentes en sistemas de dosificación
de fármacos. Se mencionan brevemente aplicaciones de estos materiales en inmovilización
de células y enzimas, y bioingeniería tisular.
Entre las muchas aplicaciones de los polímeros inteligentes en el sector de las
tecnologías electrónicas, se detallan en este informe aplicaciones en músculos artificiales,
gafas de sol y ventanas inteligentes.
Finalmente se han destacado otros campos de aplicación de los polímeros inteligentes,
como puede ser la industria textil, dónde se emplean microgeles inteligentes y polímeros
electroactivos para la fabricación de tejidos inteligentes; o la industria alimentaria que
emplea los polímeros inteligentes para el envasado de productos alimenticios.
2
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
CAPÍTULO I. MATERIALES INTELIGENTES
Un material inteligente se define como aquel que responde ante un estímulo exterior
cambiado sus propiedades o incluso su forma1.
El interés por los materiales inteligentes ha aumentado rápidamente desde finales de
1980. En la literatura anglosajona la terminología en este tema varía, coexistiendo dos
términos: “intelligent materials” y “smart materials”, denominándose algunas veces “adaptive
materials”2. También se han encontrado términos como “stimuli responsive material”3,4 y “active
materials”5.
En 1988, dos investigadores de la Universidad de Michigan, Brian S. Thompson y
Mukesh V. Gandhi, observaron que existían materiales que podían modificar sus
propiedades para ajustarse a cambios en condiciones de servicio. Estos materiales que
denominaron “smart”, no sólo cambiaban sus propiedades sino que estaban constituidos
de tal manera que “sabían” cuando debían modificarlas6.
Los materiales inteligentes que estos autores investigaron, utilizaban las propiedades
de determinados materiales denominados fluidos electrorreológicos (ER), que cambian su
viscosidad casi instantáneamente como respuesta a una corriente eléctrica de baja
intensidad y alto voltaje6.
Se cree que ésta fue la primera vez que se utilizó un fluido ER para crear un material
con propiedades variables. Este material se lograba revistiendo un compuesto grafito/epoxi
con fluido ER y acoplando (incrustando) sensores electrónicos que detectan cambios de
vibración, tensión y/o temperatura, para “avisar” al material de cuando debe cambiar sus
propiedades6.
Existen diferentes formas de clasificar los materiales inteligentes, por ejemplo en
función
de
sus
características
pueden
distinguirse
materiales
piezoeléctricos,
magnetoestrictivos, aleaciones con memoria de forma, fluidos reológicos, fibras ópticas y
sistemas microelectromecánicos entre otros1. Se pueden clasificar igualmente según su
respuesta frente al estímulo que reciben, que se manifiesta mediante un cambio en su
forma, ó mediante un cambio de alguna de sus propiedades como la conductividad eléctrica
o la viscosidad7.
Las aplicaciones tecnológicas de las estructuras inteligentes se pueden encontrar
prácticamente en casi todos los campos, como por ejemplo industria aeroespacial,
biomedicina, ingeniería civil, automoción, etc8.
3
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
BIBLIOGRAFÍA
1.
López García O, Carnicero López A, Ruiz Pablos R. Materiales inteligentes I/II. Introducción
a los materiales del siglo XXI. Anales de mecánica y electricidad. 2003; 40.
2.
Wojciechowski S, Boczkowska A. Intelligent materials 2004. Archives of Metallurgy and
Materials. 2004; 49(4):723.
3.
Zhang Haixuan, Meng Xun, Li Ping. Light and thermal-stimuli responsive materials. Progress
in Chemistry. 2008; 20(5):657-672.
4.
Winnik FM, Whitten DG, Urban MW. Stimuli-responsive materials: Polymers, colloids, and
multicomponent systems. Langmuir. 2007; 23(1):1-2.
5.
Ahir SV, Huang YY, Terentjev EM. Polymers with aligned carbon nanotubes: Active
composite materials. Polymer. 2008; 49(18):3841-3854.
6.
"Smart" materials know when to change properties. Metal Progress. 1988; 134(3):22.
7.
Nelson LJ. Smart piezoelectric fibre composites. Materials Science and Technology. 2002;
18(11):1245-1256.
8.
López García O, Carnicero López A, Ruiz Pablos R. Materiales inteligentes (II): Aplicaciones
tecnológicas. Anales de mecánica y electricidad. 2004; 16.
4
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
CAPÍTULO II. POLÍMEROS INTELIGENTES
Los sistemas poliméricos inteligentes o polímeros sensibles al estímulo son polímeros
que en respuesta a ligeros cambios en su entorno, como temperatura, pH, luz, campo
eléctrico o magnético, concentración iónica, moléculas biológicas, etc. sufren cambios
drásticos en sus propiedades1. En este informe de Vigilancia Tecnológica se ha planteado la
clasificación de los polímeros inteligentes según tres puntos de referencia:
•
Atendiendo al estímulo que reciben,
•
Atendiendo a la respuesta que proporcionan o
•
Según el tipo de material polimérico.
El interés por el comportamiento “inteligente” de los polímeros aparece mucho más
tarde que en el caso de los materiales metálicos o cerámicos inteligentes. Durante las
últimas dos décadas el papel desempeñado por los polímeros inteligentes tomó importancia
rápidamente, debido a los resultados prometedores de las investigaciones que demostraban
las propiedades útiles de algunos polímeros en aplicaciones practicas2.
En 1975, Helmut Ringsdorf publicó unos famosos bosquejos que sugerían el uso de
una columna vertebral portadora de fármacos fabricada a partir de polímeros sintéticos3-5.
En el año 1977, Abuchowski et al.6 publicaron el primer artículo sobre la conjugación de
polietilenglicol (PEG) para su uso en fármacos proteínicos.
A finales de la década de los ochenta, aparece un artículo de revisión de Garnier sobre
los polímeros conductores funcionalizados, donde se ilustra cómo constituyen un nuevo
paso hacia los materiales inteligentes7.
En 1991, Allan Hoffman publica un artículo en el que se describen las características,
las respuestas y los mecanismos de los polímeros e hidrogeles sensibles a estímulos y
menciona sus aplicaciones como biomateriales inteligentes. Según las búsquedas realizadas
este es el primer artículo donde se alude a este tipo de materiales8.
Bag y Rao9 describen en su artículo “Smart polymers and their applications” el estado
de la técnica de los materiales inteligentes con referencia especial a los polímeros
inteligentes y sus aplicaciones potenciales. Según estos autores9 los polímeros pueden
clasificarse en función de su sensibilidad hacia el estímulo exterior. De este modo, si un
polímero es sensible al campo eléctrico se denomina polímero electrosensible o
electroactivo. Si un polímero es sensible a la temperatura puede denominarse
termosensible, los sensibles a la luz son los llamados fotosensibles, etc.
5
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
En la tabla 1 se establece un tipo de clasificación para polímeros inteligentes, a partir
de los trabajos de Bag y Rao.
Tabla 1. Clasificación de los polímeros inteligentes según Bag y Rao9.
Polímeros
Estímulo
Respuesta
Polímeros termosensibles
Temperatura
Tensión/volumen
Polímeros fotosensibles
Intensidad de luz
Tensión/propiedad óptica
Polímeros químicamente activos
Químico
Cambio de volumen
Polímeros magnetoactivos
Campo magnético
Tensión/luz/color
Polímeros electrosensibles
Campo eléctrico
Tensión
Polímeros
Mas de uno
Tensión/volumen
multi-sensibles(multi-
respuesta)
Es importante mencionar que el de los “polímeros inteligentes” es un campo nuevo y
la terminología es variada y compleja. Este informe de Vigilancia Tecnológica se centra en
el término “smart polymer” y los análisis realizados reflejan los resultados para
determinadas sentencias de búsqueda, que aparecen en el anexo V.
Para observar la evolución del número de publicaciones por año respecto a las dos
temáticas: materiales inteligentes y polímeros inteligentes, se ha realizado un análisis
empleando los resultados obtenidos en la base de datos Web of Knowledge (WoK)
utilizando las siguientes sentencias de búsqueda:
Materiales Inteligentes
TS=(smart* SAME material*) OR TS=(intelligent* SAME
material*) OR TS=(adaptive* SAME material*)
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME
Polímeros Inteligentes
responsive* SAME polymer*) OR TS=(environmental* SAME
sensitive* SAME polymer*) OR TS=(intelligent* SAME
polymer*)
En la figura 1 se compara la evolución de publicaciones científicas relativas a
materiales inteligentes y a polímeros inteligentes, desde 1991 hasta el año 2007.
6
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Número de publicaciones/año
Número de publicaciones
600
500
Materiales
Inteligentes
P olímeros
Inteligentes
400
300
200
100
0
1991
1993
1995
1997
1999
2001
2003
2005
2007
Año
Figura 1. Evolución del número de publicaciones científicas relativas a polímeros inteligentes y
materiales inteligentes entre 1991 y 2007.
II.1. TIPOS DE POLÍMEROS INTELIGENTES
Un polímero se define como toda substancia constituida por moléculas que se
caracterizan por la repetición de uno o más tipos de unidades monoméricas. El término
macromolécula se puede utilizar también con el mismo significado que el de polímero y lo
mismo sucede con la expresión cadena polimérica. Según la forma de las macromoléculas,
los polímeros pueden ser lineales, ramificados o entrecruzados10.
Es sabido que los materiales poliméricos apenas se usan en estado puro y
normalmente se les adiciona aditivos que mejoran su procesabilidad y propiedades. Entre
los aditivos, destacan partículas tales como: negro de carbono, sílice, carbonato de calcio,
arcilla, pigmentos, fibras naturales y sintéticas, fibras de carbono, etc. Dichas partículas
modifican la viscosidad, las propiedades mecánicas, reológicas y otras importantes
propiedades, abriendo terreno para nuevas posibles aplicaciones11.
En esta sección se describen los polímeros reticulados (geles), los copolímeros en
bloque, las mezclas de polímeros, las redes interpenetradas (IPN) y los polímeros con
memoria de forma.
7
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
II.1.1. Polímeros reticulados (geles)
Los geles son materiales fascinantes que poseen todas las características normales de
los sólidos tales como estabilidad de forma, resistencia a cortadura, etc., y además pueden
absorber disolvente e hincharse hasta dimensiones mucho mayores que su tamaño en seco,
exhibiendo frente a una tensión impuesta una respuesta elástica lineal. El hecho de que el
gel sea un sólido permeable al disolvente hace pensar en una combinación de un sólido y
un líquido, donde su estado de equilibrio está determinado por la interacción entre los dos
componentes12 y por la estructura tridimensional de las cadenas poliméricas que lo
componen.
Los geles se pueden clasificar como geles físicos y geles químicos, dependiendo de la
naturaleza de las uniones de la red tridimensional. En los geles químicos, la red se forma
mediante enlaces covalentes, mientras que los geles físicos se forman por crecimiento de
agregados conectados físicamente13.
Los geles inteligentes pueden ser clasificados basándose en su sensibilidad frente a
estímulos externos, pero también pueden clasificarse en dos grupos en función de la
naturaleza de sus polímeros.
El primer grupo consiste en polímeros no cargados, capaces de formar enlaces de
hidrógeno con moléculas de agua. Las perturbaciones de los enlaces de hidrógeno por el
incremento de la temperatura, o por el cambio de la fuerza iónica en el medio, causan
separaciones de fase o contracciones en el gel. Ejemplos de este grupo son: poli(Nisopropilacrilamida) (PNIPAM), poli(N-vinilpiperidina), poli(N-vinilcaprolactama), etc.
El segundo grupo consiste en polímeros cargados o polielectrolitos. En medio acuoso,
estos polímeros suelen ser solubles o se encuentran en su forma de gel hinchado. Cuando
cambia el pH del medio o cuando se adicionan
iones de bajo peso molecular o
polielectrolitos de carga opuesta, la repulsión entre los segmentos poliméricos se reduce y
esto conduce a la separación de fases. Por ejemplo, en disolución acuosa, el copolímero
metilmetacrilato-acido metilacrilato precipita a pH ≤ 5 y a pH mayores se disuelve9.
El biofísico americano de origen japonés Toyoichi Tanaka, profesor del Massachusetts
Institute of Technology (MIT), creó los denominados geles inteligentes, que se expanden y
contraen o cambian de color cuando son expuestos a pequeñas variaciones de temperatura,
luz, campo magnético o eléctrico14. En concreto, descubrió un gel de poliacrilamida que
respondía a estímulos, como cambio de temperatura. La expansión y la contracción de los
geles permiten que la energía eléctrica o química sea transformada en trabajo mecánico. Los
8
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
científicos vislumbran un campo potencial de aplicación de los geles como músculos
artificiales, para su utilización como actuadores en robótica o como prótesis artificiales15.
En un principio Tanaka encontró que los geles poliméricos sintéticos existían en dos
fases, hinchadas y colapsadas ó contraídas16,17. Posteriormente llegó a encontrar geles de
cuatro fases18.
II.1.2. Polímeros lineales y copolímeros en bloque
Los polímeros lineales están formados por moléculas que forman largas cadenas sin
ramificaciones ni entrecruzamientos y que están constituidos por unidades repetitivas
iguales unidas entre si (homopolímeros lineales). Cuando participan dos unidades
repetitivas diferentes en la misma cadena de polímero se denominan copolímeros. En
éstos, lo más habitual es que las unidades repetitivas se encuentren distribuidas más o
menos al azar en cada cadena polimérica. Las propiedades de este tipo de copolímeros
suelen ser, con carácter general, un promedio de las propiedades que tendrían cada uno de
los homopolímeros por separado.
Los copolímeros en bloque son un tipo de copolímeros en los que las unidades
repetitivas no están distribuidas al azar sino asociadas formando bloques. Cada bloque está
constituido por el mismo tipo de unidades repetitivas. Si los bloques son suficientemente
largos, las propiedades de cada bloque se manifiestas por separado19,20,21. Por ejemplo, es
frecuente que presenten dos temperaturas de transición vítrea, una por cada bloque22.
La posibilidad de preparar este tipo de polímeros junto con el “injerto” de un
polímero con otro, fue sugerida por primera vez por Mark en la década de los 5023.
Inicialmente para la síntesis de copolímeros en bloque se utilizaron métodos
mecanoquímicos24.
Los copolímeros en bloque exhiben frecuentemente propiedades únicas y útiles en
disolución y en estado sólido, como consecuencia de la incompatibilidad termodinámica
general de los bloques, que da como resultado una separación en microfases25.
Los copolímeros en bloque sensibles a pH y temperatura, presentan aplicaciones
prometedoras y se estiman de considerable importancia porque son fácilmente
sintetizables26. El trabajo de Zhao y Ni26 se focaliza en los recientes progresos con este tipo
de materiales basados en polimetacrilatos, óxidos de polietileno y óxidos de polipropileno,
todos preparados por varias polimerizaciones controladas.
9
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
II.1.3. Mezclas de polímeros
Una mezcla de polímeros (Polymer blends) se define como la combinación de al menos
dos macromoléculas, polímeros o copolímeros, en la cual el contenido de una de ellas está
por encima del 2% en peso27. Se pueden producir de dos formas diferentes: mezclando dos
polímeros formados separadamente o polimerizando in situ un monómero en presencia del
otro polímero28.
Las mezclas de polímeros son muy utilizadas actualmente en la industria y representan
una de las áreas de mayor crecimiento en ciencia de materiales poliméricos. Este campo
está teniendo un amplio desarrollo durante estos últimos años y la literatura sobre el tema
es muy amplia. Las mezclas de polímeros se aplican en campos como la adhesión, la
estabilidad coloidal, el diseño de materiales compuestos y materiales biocompatibles, lo que
requiere una comprensión de su estructura, estado y composición en los alrededores de las
superficies con las que interactúan11.
II.1.4. Redes interpenetradas (IPN)
Una red interpenetrada (“Interpenetrating Network”) está constituida por al menos
dos subredes de dos polímeros diferentes en la que una de ellas se forma en la presencia de
la primera. Una IPN se distingue de una mezcla de polímeros, copolímeros en bloque o
copolímeros de injerto de dos maneras: a) el IPN se hincha en disolventes pero no se
disuelve, y b) ni fluyen ni experimentan fluencia. Existen diferentes tipos de IPNs:
secuenciales, simultáneos (SIN), látex, gradiente, termoplásticos y semi-IPN27.
En la tabla 2 se muestran algunos ejemplos de redes interpenetradas, sus posibles
aplicaciones y las referencias bibliográficas.
10
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Tabla 2. Algunos ejemplos de redes interpenetradas.
Polímero 1
Chitosan
Polímero 2
Aplicación
N-vinilpirrolidina/
Sistema de liberación de
2-Hidroximetilmetacrilato
fármacos
Amortiguar el sonido y la
Poliuretano
Poli(metilmetacrilato)
Polietilenglicol
Ácido poliacrílico
Implantes corneales
Poliuretano
Poli(metilmetacrilato)
Materiales para amortiguar
vibración
Semi-IPN-nanocompuestos
Poli(vinilpirrolidina)
Poliacrilamida
de plata para materiales
antibacterianos
Referencia
Ng et al.29, 2005
Kong et al.30, 2008
Myung et al.31, 2008
Widmaier et
al.32,2006
Murthy et al.33,
2008
II.1.5. Polímeros con memoria de forma (SMP: Shape-Memory Polymers)
Este tipo de polímeros responde a estímulos como calor34, luz35 o agentes químicos36
cambiando su forma y su módulo elástico. Exhiben cambios radicales partiendo de una
forma rígida hasta una flexible y elástica, regresando a su estado original sin ningún tipo de
degradación del material37.
Los polímeros con memoria de forma son de fácil manufactura y pueden ser una
alternativa económica a las aleaciones metálicas. Los SMP se distinguen igualmente por su
baja densidad2.
La memoria de forma puede ser observada en diferentes clases de polímeros con
considerables variaciones de composición química como: poliuretano36, polinorborneno38,
copolímeros de polietileno39, copolímeros de poliestireno40, poliésteres41, etc.
Estos polímeros deben tenerse en consideración en aplicaciones tales como los
aviones de geometría variable (morphing aircrafts), estructuras desplegables (deployable
structures), dispositivos médicos, o cualquier otra donde se requiera un efecto de memoria de
forma o un cambio drástico en el módulo elástico, con un mínimo aporte energético37.
La solicitud de la primera patente que se ha identificado sobre un polímero con
memoria de forma, fue presentada por la compañía japonesa NITTO ELECTRIC IND
CO42 a finales de 1984. Se trataba de una capa adhesiva para un refuerzo que contenía entre
otros materiales un polímero con memoria de forma, que era capaz de expandirse
11
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
verticalmente. El primer polímero con memoria de forma fue desarrollado por la empresa
francesa CDF Chimie Company y se le dio el nombre de polinorborneno43.
Más adelante en 1989, la compañía ASAHI CHEM IND CO LTD44 patentó un
poliuretano con memoria de forma obtenido a partir de un polidiol cristalino con punto de
fusión entre 30-100ºC, con una masa molecular media de entre 8.000- 100.000 g/mol, un
poliisocianato y un agente de extensión de cadena con átomos de hidrógeno que reaccionan
con el poliisocianato. El polímero se deformaba y podía recobrar su forma original al
calentarse a temperatura superior al punto de fusión del polidiol pero más bajo que la
temperatura de fusión del poliuretano. Dicho polímero podía utilizarse para la manufactura
de tuberías, conectores, sellantes, materiales laminados, etc. El poliuretano podía
permanecer estable en una forma determinada, era fácil de armar o transportar y podía
recuperar su forma original tan sólo aplicando calor.
Un año más tarde, MITSUBISHI HEAVY IND CO LTD45 patentó una espuma de
poliuretano con memoria de forma, que reivindicaba las mismas características y
propiedades que la patente anterior. La espuma podía adoptar una forma determinada si se
comprimía a temperatura superior a la temperatura de transición vítrea del polímero, Tg,
enfriándose posteriormente. El polímero recupera su forma original al calentarlo por
encima de su Tg. Para preparar este material se partía, como en la patente precedente de
ASAHI, de un diisocianato, un poliol y un agente de extensión de cadena con hidrógenos
activos. La patente de Mitsubishi reivindica el uso de esta espuma en aplicaciones para el
llenado de huecos, debido a que se expande tras su calentamiento.
La mayoría de los SMP son sensibles a estímulos térmicos y por lo tanto otros
mecanismos de activación (como activación por luz o incluso por hidratación) darían paso
a nuevas aplicaciones37. Actualmente los SMP se están combinando con nanomateriales lo
que les confiere funcionalidades eléctricas46. Incluso, se están desarrollando SMP que
presentan dos ó más memorias de estado, lo que permitiría su uso en músculos artificiales,
actuadores multi-way, revolucionando el mundo del diseño de robótica37.
II.2. CLASIFICACIÓN ATENDIENDO AL ESTÍMULO
Los polímeros sensibles a estímulos muestran cambios drásticos en sus propiedades
frente a ligeros cambios en el ambiente, temperatura, luz, concentración salina o pH, entre
otros. Este comportamiento puede ser utilizado por ejemplo en la preparación de sistemas
inteligentes para liberación de fármacos, imitando, en cierta forma, la respuesta de los seres
vivos47.
12
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
A continuación se describe como afectan a las propiedades de los polímeros
inteligentes algunos de los estímulos citados. En cada sección se citan uno o varios trabajos
de investigación relacionados con el estímulo correspondiente.
II.2.1. Temperatura
Con carácter general, los polímeros son solubles en disolventes en un determinado rango
de temperaturas, es decir, la estabilidad de las disoluciones de polímeros está limitada tanto
a altas como a bajas temperaturas. A bajas temperaturas, la máxima a la que hay que
calentar para que el polímero se disuelva se denomina temperatura crítica superior (UCST).
Por el contrario, en la región de altas temperaturas, la mínima a la que hay que calentar para
que no precipite se denomina temperatura crítica inferior (LCST)9. El hecho de que los
polímeros precipiten de sus disoluciones tanto al calentar como al enfriar es lo que ha dado
origen a su empleo como dispositivos inteligentes. En polímeros solubles en agua, el
fenómeno de su precipitación está causado por la competencia entre fuerzas opuestas que
dependen de la temperatura. Por una parte, la solvatación de las cadenas poliméricas y la
formación de enlaces de hidrógeno entre el polímero y el agua favorecen su disolución. Por
otra, las interacciones hidrofóbicas favorecen que el polímero se separe de la disolución48.
En general, la incorporación de comonómeros hidrofílicos conduce a una LCST más alta,
mientras que los comonómeros hidrofóbicos conducen a una LCST más baja9.
Se han investigado geles inteligentes termosensibles para aplicaciones en liberación de
fármacos y procesos de separación de solutos9 basados en este fenómeno. Tanto al calentar
como al enfriar, las redes se contraen o colapsan. Polímeros como la poli(Nisopropilacrilamida) (PNIPAM), poli(N-vinilpiperidina), poli(N-vinilcaprolactama), etc.
presentan este tipo de comportamiento9. De los muchos polímeros sensibles a la
temperatura, la poli(N-isopropilacrilamida) es probablemente el polímero más utilizado49.
M. Hruby et al.48 desarrollaron un sistema termosensible para radioterapia local. En
este sistema un radionucleido es encapsulado en un polímero termosensible y el sistema
precipita a la temperatura corporal cuando se inyecta en un tejido donde se necesita un
efecto terapéutico. El polímero termosensible está basado en copolímeros de Nisopropilmetacrilamida con un comonómero tipo metacrilamida que contiene grupos alquil
hidrofóbicos de tres diferentes tamaños (C3, C6 y C12).
13
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
II.2.2. pH
Los polímeros sensibles al pH son polielectrolitos con grupos ácido o básico que
aceptan o ceden protones en respuesta a cambios en el pH del medio1.
Los ácidos y bases débiles como los ácidos carboxílicos, el ácido fosfórico y las aminas
respectivamente, muestran cambios en su estado de ionización bajo variaciones de pH.
Esto conduce a un cambio conformacional del polímero soluble y a un cambio en el
hinchamiento de los hidrogeles cuando los grupos ionizables están unidos a la estructura
polimérica47.
Los monómeros clásicos son el ácido acrílico, el ácido metacrílico, anhídrido maleico,
y N,N-dimetilaminoetil metacrilato. Pero también se han descrito polímeros que contienen
derivados del ácido fosfórico50,51.
Los polímeros sensibles al pH se emplean en varias aplicaciones biomédicas, siendo la
aplicación más importante su uso en sistemas de liberación de fármacos y sensores de
glucosa1.
El pH varia a lo largo del tracto gastrointestinal entre 2 (estómago) y 10 (colon), lo que
ocasiona que los polímeros sensibles al pH sean ideales para la liberación de fármacos
específicos del colon. La propuesta más común utiliza polímeros entéricos (ideales para el
aparato digestivo), que resisten la degradación en medio ácido y liberan el fármaco en
medio alcalino debido a la formación de la sal. Existen varios ejemplos de esta clase de
polímero ya comercializado, por ejemplo, Eudragit L, Eudragit S de Rhöm Pharma GMBH
(basado en ácido metacrílico y metilmetacrilato)1.
La figura 2 ilustra un comportamiento de cambio de fase de hidrogeles y polímeros
sensibles al pH y a la temperatura.
14
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
DISOLUCIÓN
PRECIPITADO
Figura 2. Cambio de fase de hidrogeles y polímeros sensibles al pH y a la temperatura8.
II.2.3. Luz
Los polímeros que exhiben cambios en sus propiedades en respuesta a un estímulo
luminoso se conocen como polímeros fotosensibles52,53. La luz incidente puede producir
cambios en su viscosidad, solubilidad, pH, conductividad, etc. Esta clase de polímeros
inteligentes encuentra aplicación en dispositivos fotoactivos, tales como fotosensores o
dispositivos de almacenamiento de información ó como equivalente molecular de
fotorreceptores en sistemas biológicos. Muchas moléculas fotosensibles se transforman en
otros isómeros bajo fotoexposición. Éste es un proceso reversible denominado
fotoisomerización, donde las moléculas pueden volver a su estado inicial térmica o
fotoquímicamente. Durante esta isomerización, el cambio conformacional debería ser
suficientemente grande para causar un cambio notable en sus propiedades9.
Los hidrogeles sensibles a la luz se pueden dividir en hidrogeles sensibles a la luz UV y
a la luz visible. A diferencia de la luz UV, la luz visible es fácil de conseguir, económica,
segura y se manipula fácilmente49. Se han sintetizado hidrogeles sensibles a la luz UV
empleando moléculas de bis(4-dimetilamino)fenilmetil leucocianida dentro de la red
polimérica. Se observó que a una temperatura fija, los hidrogeles se hincharon en respuesta
a la luz UV y se contrajeron al eliminar el estímulo luminoso54.
15
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
En el trabajo publicado en 1990 por A. Suzuki y T. Tanaka55 se explica cómo se
prepararon geles de N-isopropilacrilamida (constituyente principal) y de un cromóforo
sensible a la luz (sal de cobre-clorofila). Los resultados mostraron
que el gel sensible a la luz se hincha en ausencia de luz pero se
colapsa cuando se ilumina con luz visible. Este tipo de sistemas
pueden
emplearse
en
músculos
artificiales
fotosensibles
y
dispositivos de memoria.
Figura 3. Gel en presencia de luz55
II.2.4. Campo eléctrico
Los polímeros electrosensibles exhiben cambios reversibles en algunas de sus
propiedades bajo la influencia de un campo eléctrico externo que puede ser controlado
fácilmente9. En la tabla 3 se muestran algunos tipos de polímeros electrosensibles, ejemplos
de cada uno de ellos y algunas aplicaciones. A continuación de la tabla se mencionan con
más detalle los polímeros electroactivos.
Tabla 3. Ejemplos de polímeros electrosensibles9
Polímero
Comporta-
electrosensible
miento
Respuesta
Luz
Polímeros
Electro-
electroluminiscentes óptico
(luz brillante
de distinto
color)
Polímeros
Electro-
electro-crómicos
óptico
Polímeros
Electro-
electroactivos
mecánico
Color
Tensión
Algunas Aplicaciones
Diodo emisor de luz
(LED), transistor de efecto
campo (FET), camuflaje.
Ejemplo/Color
emisión (λmax)
Poli(pfenilenvinileno)/
Amarillo verde
(550 nm)
Ventanas inteligentes,
Polianilina/Azul,
interruptores ópticos.
verde, violeta..
Sensores, actuadores.
Polipirrol/-
Los materiales poliméricos electroactivos experimentan cambios mecánicos en
respuesta a una estimulación eléctrica. Los mecanismos que rigen el comportamiento de
estos materiales son diversos y en algunos casos no se comprenden del todo56. En general,
los polímeros electroactivos se pueden clasificar en dos grandes grupos en función de su
principio de funcionamiento56:
16
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
- Materiales iónicos. Son materiales que requieren una carga eléctrica y un transporte
de masa para lograr el efecto electromecánico. Dentro de esta familia se encuentran los
polímeros conductores, los nanotubos de carbono y los IPMC (Ionic Polymer Metal
Composites).
- Materiales electrónicos. Son materiales cuyo efecto electromecánico está asociado a
mecanismos basados en fuerza electrostática. Dentro de este grupo de materiales se
encuentran los elastómeros y los polímeros ferroeléctricos.
En general, los materiales electroactivos son importantes para la fabricación de
actuadores y pueden diseñarse para el funcionamiento de músculos biológicos con
características únicas de alta tenacidad, elevada constante de deformación y amortiguación
de vibraciones intrínsecas9. Los materiales electroactivos también se pueden emplear para
fabricar sistemas microelectromecánicos (MEMS) actuando tanto como sensores como
actuadores57.
II.2.5. Campo magnético
Los polímeros sensibles al campo magnético se denominan polímeros magnetoactivos.
Se basan generalmente en geles poliméricos preparados mediante dispersión coloidal de
partículas magnéticas con un tamaño típico aproximado de 10 nm, en una red polimérica
entrecruzada químicamente9.
Si las partículas magnéticas, ya sean en forma de polvo o dispersadas en un fluido
magnético se introducen en un gel, el sistema se vuelve sensible a campos magnéticos
externos y el material resultante se denomina ferrogel58.
El gel sensible al campo magnético o ferrogel presenta una importante deformación
frente a un campo magnético no uniforme, debido al acoplamiento de las propiedades
magnéticas y elásticas. La magnetoelasticidad de los ferrogeles tiene un interés inherente
aunque sólo sea por la singularidad de tener una gran respuesta elástica a la polarización
magnética59.
Reséndiz-Hernández et al. investigaron la síntesis y caracterización de un ferrogel
(polivinilalcohol(PVA)-magnetita) obtenido por ciclos de congelación-descongelación. Los
hidrogeles de polivinilalcohol son polímeros sintéticos conocidos e importantes en vista de
sus nuevas aplicaciones tecnológicas. Algunas de estas aplicaciones son los biomateriales,
biosensores y sistemas de liberación de fármacos58. Este estudio concluyó que la
incorporación de nanopartículas de magnetita dio lugar a un aumento en las temperaturas
de cristalización y fusión de los ferrogeles de PVA-magnetita comparados con los geles de
17
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
PVA. Esto es debido probablemente a que las nanopartículas actúan como agentes de
nucleación durante el proceso de cristalización. Los ferrogeles de PVA-magnetita obtenidos
mostraron propiedades superparamagnéticas que pueden ser adaptadas para los sistemas de
liberación de fármacos y diseño de músculos artificiales.
II.2.6. Reconocimiento molecular
Los geles de reconocimiento molecular que identifican únicamente una substancia
química específica, como un catalizador o una enzima y que exhiben cambios de
hinchamiento y contracción, han sido estudiados por numerosos investigadores60. El
método de reconocimiento (o grabado) molecular es empleado típicamente para preparar
geles61. Las moléculas que se pretenden identificar se mezclan en una disolución que
contiene un monómero con un “centro de reconocimiento”. La polimerización se lleva a
cabo de manera que el complejo se forma por interacción entre la molécula a identificar y el
monómero. Tras la polimerización, se extraen las moléculas. Mediante este método la
información molecular se inserta en la red polimérica. Como resultado, pueden crearse
geles que reconocen una molécula específica, absorbiéndola o mostrando cambios de
hinchamiento. El método de reconocimiento molecular presenta una gran ventaja: la
facilidad de preparación de la red polimérica para el reconocimiento de la estructura
química de la molécula a analizar, en especial si se compara con el método convencional de
síntesis para receptores moleculares, que necesita de un procedimiento de síntesis complejo
por sus sucesivos pasos.
Figura 4. Esquema de reconocimiento molecular61
Con este método puede sintetizarse un receptor de macromoléculas a medida.
Algunos de ellos presentan una especificidad similar a anticuerpos naturales policlonales.
18
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
De ese modo, al polímero de reconocimiento molecular (imprinted) se le denomina a
menudo “anticuerpo artificial”, por ser altamente selectivo y por estar hecho a medida.
II.3. CLASIFICACIÓN ATENDIENDO A LA RESPUESTA
Los polímeros inteligentes pueden clasificarse también según la respuesta que
manifiesten frente a un estímulo. La tabla 4 resume el tipo de respuesta que ofrece un
polímero inteligente junto con algunas de sus posibles aplicaciones.
Tras la tabla se analizan diversos casos de polímeros inteligentes identificados en la
literatura desde el punto de vista de su respuesta a un cierto estímulo.
Tabla 4. Forma física de las cadenas de polímeros inteligentes, junto con el tipo de respuesta que
exhiben y ejemplos de sus posibles aplicaciones1.
Forma física de cadenas
Tipo de respuesta
Ejemplos y referencias
(Conjugados)
Solubilización/precipitación
Uso
Cadenas
lineales
no
de
compuestos
conjugados
polímeros-activos
entrecruzadas
Transiciones sol-gel (formación
Formulaciones de geles inyectables in-
reversible del gel)
situ. BST-Gel® (ByoSynthech) y ReGel®
de Macromed.
Anfifílico (no entrecruzado)
Micelización
Pluronics o Poloxamers62
Hinchamiento/encogimiento
Liberación de fármacos pulsada49, 63
Interfases sensibles
Nuevos
copolímeros en bloque e
injertos
Hidrogeles
entrecruzados
químicamente
Superficies modificadas
substratos
para
cultivos
celulares64
II.3.1. Hinchamiento/contracción (Swell/shrink)
Los estudios recopilados de la literatura relacionados con los fenómenos de
hinchamiento/contracción emplean materiales basados en hidrogeles.
Se han utilizado muchos estímulos físicos y químicos para inducir respuesta en los
sistemas inteligentes de hidrogeles. Los estímulos físicos incluyen la temperatura, campo
eléctrico, composición del disolvente, luz, presión, sonido y campo magnético, mientras
que los estímulos químicos o bioquímicos incluyen el pH, iones y reconocimiento
molecular específico65, 66.
19
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Por ejemplo, como ya se ha presentado en anteriores capítulos, los hidrogeles
sensibles al pH se utilizan con frecuencia en el desarrollo de formulaciones para la
liberación controlada de fármacos con administración oral aprovechando las diferencias de
pH entre la boca, el estómago (<3), el intestino y el colon. Los hidrogeles policatiónicos,
por ejemplo, se hinchan muy levemente a pH neutro, minimizando así la liberación del
fármaco en el entorno neutro de la boca49.
Los hidrogeles de polianiones (por ejemplo, el ácido poliacrílico) entrecruzados con
azoaromáticos se desarrollaron para la liberación de fármacos específicos para el colon. En
el estómago, su hinchamiento es mínimo pero aumenta a medida que el hidrogel pasa por
el tracto intestinal debido al aumento del pH que conduce a la ionización de los grupos
carboxílicos49.
En su artículo “Stimuli-responsive poly(N-isopropylacrylamide-co-sodium acrylate)
hydrogels: A swelling study in surfactant and polymer solutions”, Mohan et al.67 investigan
el hinchamiento o dilatación de estos hidrogeles frente a diversos estímulos: pH, diferentes
surfactantes y disoluciones con polielectrolitos a diferentes temperaturas. El trabajo revela
la cinética del hinchamiento y las características de difusión del hidrogel en diferentes
medios. La alta capacidad de hinchamiento y el equilibrio acuoso de estos hidrogeles hacen
de ellos materiales idóneos para ser aplicados en bioingeniería.
II.3.2. Flexión
Para los estudios de flexión (strain-stress), algunos trabajos de investigación tratan el
tema de los nanocompuestos inteligentes con propiedades físicas mejoradas (módulo de
elasticidad y resistencia). Estos nanocompuestos se forman por adición de nanopartículas
(montmorillonita, nanotubos de carbono, sílice, etc.) a un polímero con memoria de forma.
En 2007, Rezanejad et al.68 investigan cómo afecta a las propiedades mecánicas y de
memoria de forma, así como a la fuerza de actuación de un polietileno de baja densidad
entrecruzado la adición de montmorillonita. Se muestra cómo la adición de la nanoarcilla,
incluso con un bajo nivel de cargas (0-10%), a un polímero con memoria de forma (SMP)
origina un nanocompuesto inteligente, con propiedades físicas mejoradas en módulo de
elasticidad y resistencia, propiedades óptimas para su utilización como actuador.
También se han estudiado los efectos de otro tipo de nanopartículas. Por ejemplo se
ha reportado cómo la fuerza de recuperación en flexión bloqueada de los polímeros con
memoria de forma, puede incrementarse en un 50% mediante la adición del 20% en peso
de SiC69, 70.
20
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
X.T. Zheng71 encontró que la adición de partículas de hidroxiapatita al polímero
poli(D,L-lactida) mejoraba su efecto de memoria de forma. Igualmente, el trabajo de
Koerner et al.46 muestra una dispersión uniforme de nanotubos de carbono (con 1-5% en
volumen) en nanocompuestos termoplástico-elastoméricos que pueden almacenar y liberar
un 50% más de la fuerza de recuperación que la resina sin aditivos. Los nanotubos
anisótropos incrementan el módulo elástico en un factor entre 2 y 5 y mejoran la firmeza
de su forma por aumento de las tensiones inducidas por cristalización.
En otro tipo de estudios como el de Yakacki et al.72, se evalúan redes
fotopolimerizadas, termoestables con memoria de forma y termomecánica a medida, con el
fin de relacionar la estructura del polímero con su comportamiento de recuperación. El
metilmetacrilato (MMA) y el polietilenglicol dimetacrilato (PEGDMA) se polimerizan para
crear
redes
poliméricas
con
temperaturas
de
transición
vítreas
ajustadas
independientemente, que oscilan desde 56 ºC hasta 92 ºC y valores de módulos elásticos
(rubbery), que fluctúan entre 9.3 y 23 MPa. MMA y PEGDMA son evaluados frente a
condiciones de deformación libre y bloqueada. Los resultados intentan ayudar en el diseño
de futuros dispositivos con memoria de forma. La figura 5 muestra un polímero con
memoria de forma que se expande para proteger un tejido blando.
Figura 5. Polímero con memoria de forma72
II.3.3. Color
Un material electrocrómico es aquel que sufre un cambio de color reversible cuando
se reduce o cuando se oxida al paso de una corriente eléctrica73. Hay un gran número de
especies químicas que muestran propiedades electrocrómicas74, entre ellas los polímeros
conductores74 tales como las láminas delgadas de polipirrol, politiofeno y polianilina.
En 1998, E. Vaganova y S. Yitzchaik75 descubrieron una clase de gel inteligente,
basado en poli(4-vinilpiridina) (PvPy) que bajo fotoexcitación a distintas longitudes de
onda (λex= 395, 455, 557 nm), emitía tres colores independientes: azul, verde y rojo (λem=
477, 527, 585 nm respectivamente). Según los autores este sistema de gel orgánico
transparente con emisión de múltiples colores resultaba atractivo para aplicaciones en el
campo de los dispositivos optoelectrónicos orgánicos.
21
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Las aplicaciones comerciales de los materiales electrocrómicos incluyen retrovisores
antideslumbramiento76, indicadores electrocrómicos para las baterías y gafas de sol. Otras
aplicaciones son las “ventanas inteligentes”, gafas de protección o materiales de camuflaje73.
II.3.4. Cambio de estado
Es sabido que los polímeros a elevada temperatura aparecen en un estado “gomoso” y
que a más baja temperatura su estado es vítreo. En el estado gomoso, su módulo de
elasticidad es bajo y pueden sufrir grandes deformaciones con fuerzas relativamente bajas37.
En el año 1991, un grupo de investigadores de la Universidad de Utha reveló la
existencia de un nuevo sistema polimérico que cambiaba rápidamente de estado sólido a
líquido en respuesta a pequeñas corrientes eléctricas. Esto era debido a la desintegración de
un complejo sólido polimérico en dos polímeros solubles en agua mostrando que se podía
conseguir la liberación modulada de insulina, o de otras macromoléculas, mediante este
tipo de sistemas poliméricos. El sistema consistía en un complejo formado por
poli(etiloxazolina) PEOx y el ácido polimetacrílico o el ácido poliacrílico77.
En la figura 6 se muestra una imagen de un fluido inteligente desarrollado en los
laboratorios del Michigan Institute of Technology.
Figura 6. Fluido inteligente desarrollado en los laboratorios del Michigan Institute of Technology.
Fuente: http://www.cs.ualberta.ca/~database/MEMS/sma_mems/smrt.html
II.3.5. Luminiscencia
En ocasiones los polímeros producen emisiones luminosas en respuesta a diferentes
estímulos recibidos. El primer artículo publicado78 sobre la respuesta luminosa de los
polímeros inteligentes data de 2003 y en él se describe la manufactura, caracterización y
aplicación de nuevos visualizadores poliméricos en la producción de nuevas pantallas de
navegación para la industria del transporte. Los dispositivos electroluminiscentes basados
22
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
en polímeros conjugados (CPELD), se han fabricado utilizando poli-p-fenilenvinileno
(PPV). En el estudio se analiza la mejora de visualizadores de base PPV, por medio de la
adición de grupos laterales a la estructura polimérica, o bien por copolimerización.
Los grupos incorporados fueron MEH (Metoxi-etil-exiloxi) y MCHM (Metoxi-cicloexil-metiloxi).
Se
encontró
que
las
emisiones
de
fotoluminiscencia
(PL)
y
electroluminiscencia (EL) de MCHM-PPV eran más intensas que las de MEH-PPV. El
complejo MCHM-PPV también mostró una emisión luminosa más intensa a bajos
potenciales y bajas corrientes. La utilización de copolímeros de estos dos polímeros origina
emisiones de PL más intensas aún.
Es también interesante el trabajo de Tada y Onoda79, del Instituto Tecnológico de
Himeji, Japón, en el que describen un dispositivo polimérico emisor de luz a base de una
lámina
nanoestructurada
de
Poli(3-octadeciltiofeno),
obtenido
por
deposición
electroforética de una suspensión coloidal. La imagen por Microscopía de Fuerza Atómica
de la superficie laminar muestra una pronunciada morfología nanoestructurada y esta
rugosidad es la responsable de su emisión característica.
El patrón de emisión no es ni controlable ni duplicable y el dispositivo puede ser
utilizado como huellas artificiales para tarjetas inteligentes poliméricas.
J.B. Beck y S.J. Rowan80 han utilizado una combinación de iones metálicos (iones de
Co, Zn, La, Eu) en conjunción con monómeros bi-ligando, para producir materiales
supramoleculares
polielectroliticos
geliformes,
termosensibles,
mecánico-sensibles,
sensibles al estímulo químico, con propiedades como emisores de luz. En particular se
emplean materiales que contengan Eu, que utilizan las interesantes propiedades
luminiscentes de este lantánido. La naturaleza de la respuesta de estos sistemas dependerá
del ión metálico y de la cantidad de disolvente. Dada la diferente estabilidad cinética
metal/ligando y las diferentes propiedades funcionales de los iones metálicos, se puede
pensar en una gran variedad de materiales inteligentes metalo-supramoleculares.
II.3.6. Conductividad
En el artículo “The effect of temperature on the electric conductivity of poly(dimethyl
siloxane) ferromagnetic gel”81, se investiga la influencia de la temperatura en la
conductividad eléctrica de un gel ferromagnético. El material usado fue un gel de
poli(dimetilsiloxano) (PDMS) que contiene nanopartículas magnéticas distribuidas al azar.
Durante el calentamiento de PDMS, en el rango de temperatura entre 295-460 K la
conductividad eléctrica se incrementa desde 2 × 10−12 a 2 × 10−8 S⋅m−1.
23
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
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VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
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30
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
CAPÍTULO III. APLICACIONES DE LOS POLÍMEROS
INTELIGENTES
III.1. APLICACIONES EN BIOTECNOLOGÍA Y MEDICINA
III.1.1. Materiales Inteligentes
Una de las características clave de los organismos vivos es su rápida respuesta a los
cambios producidos en su entorno. Por ello no es de extrañar, que los científicos, a lo largo
de los años, intenten desarrollar materiales que muestren la misma sensibilidad o
adaptabilidad a los estímulos externos que presentan los sistemas biológicos.
La adaptabilidad de los materiales que responden a los cambios químicos o físicos en
su entorno de forma predecible, se evalúa según la magnitud y velocidad con la que el
material responde al estímulo externo, denominándose a esta cualidad “comportamiento
inteligente”. El objetivo final de esta tecnología es desarrollar materiales inteligentes cuyo
comportamiento sea análogo al de ciertas propiedades que presentan los organismos
biológicos.
Los materiales inteligentes pueden ser utilizados en diversas aplicaciones, algunas de
ellas de notable interés para las ciencias de la vida, destacando por sus posibilidades en los
campos de la biotecnología y la biomedicina, tal y como se cita a continuación1:
▪ Bioseparación
Precipitación por afinidad2
Sistemas bifásicos acuosos3
Inmunoesferas termosensibles para purificación de anticuerpos4
Cromatografía termosensible5
Separación celular6
Procesos separación/deshidratación que usan hidrogeles termosensibles7
▪ Inmovilización de biocatalizadores
Hidrogeles termosensibles como matriz para enzimas8y células9
Biocatalizadores reversibles soluble-insoluble10
▪ Actuadores biomiméticos11
▪ Válvulas químicas12
▪ Liberación controlada terapéutica13
▪ Pruebas inmunológicas14
▪ Ingeniería biomédica15
31
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
▪ Aplicaciones a problemas ambientales16
▪ Renaturalización de proteínas17
La investigación desarrollada en los últimos años dentro del campo de los materiales
inteligentes ha fructificado en importantes avances de esta tecnología. La garantía de éxito
en el uso de estos materiales dentro de una aplicación específica depende principalmente de
la caracterización del mecanismo de adaptación “inteligente” ante el estímulo. Conocer esta
información con precisión permite optimizar el rendimiento del proceso de adaptación del
material inteligente al sistema donde se ha de emplear18.
III.1.2. Polímeros Inteligentes
Si bien el espectro de aplicaciones potenciales para el uso de los distintos materiales
inteligentes es bastante amplio según la bibliografía, el número de trabajos concretos que
describen el uso de polímeros inteligentes en sistemas de interés es todavía bastante
limitado1. A pesar de esto, el potencial que ofrecen los polímeros inteligentes ha impulsado
en los últimos años el desarrollo de nuevas aplicaciones que se beneficien de las
características de este tipo de material, principalmente en las áreas de biotecnología,
biomedicina e ingeniería19.
Alguno de los ejemplos de aplicaciones que hacen uso de polímeros inteligentes
son: bioseparación, dosificación de fármacos o desarrollo de nuevos biocatalizadores. Estos
materiales también pueden ser empleados como actuadores biomiméticos o como
superficies “inteligentes” con propiedades hidrofílicas/hidrofóbicas20. Es importante
destacar que un mismo tipo de polímero inteligente puede desempeñar distintos papeles
según la aplicación a la que es destinado.
A continuación se muestra un esquema donde se identifica las aplicaciones potenciales
de este tipo de polímeros en biotecnología y medicina.
32
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Biocatalizador
controlado
térmicamente
Inmovilización
de
células viables
Biocatalizador
reversible
soluble
Biocatalizador
inmovilizado
Dosificación de
fármacos
Actuadores
biomiméticos
Válvula
química
Polímero
Inteligente
Superficies
Termosensibles
Bioseparación
Sistemas
poliméricos
bifásicos
Cromatografía
termosensible
Precipitación
selectiva por
afinidad
Pérdida de
adhesividad
celular
Figura 1. Usos de los polímeros inteligentes en biotecnología y medicina20
Existen numerosos grupos de investigación dedicados al estudio de las aplicaciones de
polímeros inteligentes en biotecnología y biomedicina. En este informe se citan algunos de
estos trabajos, identificados a través de búsquedas bibliográficas. Dentro del territorio
Español destaca el número de científicos consagrados a este tema de investigación. En el
documento adjunto (ANEXO III), se proporciona un listado de los grupos de
investigación españoles dedicados al estudio de polímeros inteligentes y sus aplicaciones.
Gran parte de la bibliografía científica recabada a través de búsquedas en bases de
datos está relacionada con aplicaciones de polímeros inteligentes como vehículos para la
administración de fármacos. Por este motivo, el presente documento describe con relativo
detalle los trabajos de investigación afines a este tema. Se han mencionado brevemente
varios estudios vinculados a otras aplicaciones y se ha incluido información sobre patentes
de invención publicadas entre los años 2005 y 2009 relativas al uso de los polímeros
inteligentes en diversas aplicaciones biomédicas.
33
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Liberación de fármacos
Con respecto a la liberación de fármacos, el desarrollo continuo de materiales
inteligentes biocompatibles ofrecerá avances significativos en las metodologías de
liberación controlada de moléculas con fines terapéuticos21.
Existe un interés creciente en el uso de polímeros sintéticos como agentes terapéuticos
en los sistemas de dosificación de fármacos. En comparación con los fármacos moleculares
de bajo peso molecular, el conjugado fármaco-polímero ofrece por lo general una mejora
de la farmacocinética, presentando tiempos de circulación más largos y permitiendo su
funcionalización para ser dirigido específicamente hacia el tejido diana22.
Los polímeros sintéticos “terapéuticos” pueden ser clasificados en cinco subclases
dependiendo de su conformación o su conjugación a otras moléculas22:
Fármacos poliméricos (cuando es el mismo fármaco el que se dispone en forma
polimérica para mejorar su farmacocinética), polímeros combinados a fármacos de bajo
peso molecular, conjugados de polímeros y macromoléculas de origen biológico (proteínas,
polinucleótidos) ó micelas poliméricas.
Los criterios que un polímero debe cumplir para ser empleado con seguridad como
agente terapéutico o como herramienta para la regeneración y reparación de tejidos
conforman un listado exhaustivo. Para que el polímero pueda ser utilizado como vehículo
de fármacos, éste debe ser hidrosoluble, carecer de toxicidad e inmunogeneidad y debe ser
seguro durante todas las fases que comprenden la farmacocinética de la molécula
terapéutica, incluyendo su eliminación del sistema biológico. Si el polímero no es
biodegradable (por ejemplo, polimetilacrilato), el tamaño de éste debe ser inferior al
determinado por el umbral de filtración renal, para garantizar que el polímero sintético no
sea acumulado en los distintos tejidos. Si el polímero es biodegradable (por ejemplo,
poliéster), tanto la toxicidad como la respuesta inmune frente a los productos de la
degradación son factores que deben ser considerados para el uso seguro de estos agentes
terapéuticos22.
La conversión de energía química en energía mecánica a través de polímeros
inteligentes, característica que presentan determinados hidrogeles, es una de las propiedades
de especial relevancia en la fabricación de sistemas de suministro de insulina para el
tratamiento de pacientes diabéticos20. Estos hidrogeles inteligentes son capaces de controlar
la difusión del fármaco desde el material dependiendo de pequeños cambios en el
microambiente (variación de pH o temperatura). Adicionalmente, estos materiales pueden
ser combinados con moléculas de origen biológico que desempeñen simultáneamente la
34
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
función de sensor y de generador del microcambio ambiental requerido para la liberación
del fármaco. Un ejemplo de este tipo son hidrogeles cargados de insulina y acoplados a
glucosa oxidasa, enzima de origen biológico. Estos hidrogeles, a través del enzima, detectan
la presencia de glucosa en el medio externo catalizando su conversión a ácido glucónico. El
producto de ésta reacción bioquímica implica la bajada de pH que dará lugar a la
protonación e hinchamiento de la matriz del hidrogel, liberándose la insulina contenida en
éste. Una vez que los niveles de glucosa descienden, el proceso se revierte y se bloquea el
suministro de insulina por parte del material inteligente23. Otra de las aplicaciones
prometedoras donde destaca el uso de polímeros sensibles a pH es el uso de este tipo de
material en el diseño de vectores no-virales para el transporte y transferencia de genes
terapéuticos24.
En cuanto a los polímeros sensibles a la temperatura, como ya se ha comentado en el
capítulo
II,
la
poli(N-isopropilacrilamida) es probablemente el
polímero
más
25
frecuentemente utilizado . Los diversos tipos de copolímeros de N-isopropilacrilamida han
sido objeto de numerosas investigaciones en el campo de la moderna bioingeniería y
biotecnología. Estos materiales son de especial interés en la liberación controlada de
fármacos y genes26.
Actualmente, investigadores del Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros del
Consejo
Superior
de
Investigaciones
Científicas
estudian
sistemas
poliméricos
biodegradables basados en la combinación de polímeros y copolímeros derivados de ácido
láctico y monómeros acrílicos. Estos materiales que demuestran ser sensibles
simultáneamente a variaciones de temperatura y pH, ofrecen interesantes posibilidades para
su uso en el campo de la liberación controlada de fármacos27. Dentro de esta línea de
investigación destacan también el trabajo de grupos españoles como el BIOFORGE
(Universidad de Valladolid), que hacen uso de estos materiales inteligentes para desarrollar
transportadores de escala nanométrica para la liberación de fármacos de forma focalizada o
como vehículos para la administración de vacunas28, 29.
35
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Otras aplicaciones en biotecnología y medicina
La inmovilización de células y enzimas, la bioconjugación y los procesos de
deshidratación de proteínas son aplicaciones de interés a partir de diversos tipos de
copolímeros de N-isopropilacrilamida26.
Otra de las líneas de investigación del ya mencionado grupo BIOFORGE, es el
estudio de hidrogeles para bioingeniería tisular basados en el desarrollo de polímeros
recombinantes sobre una base de elastina, proteína de origen biológico28, 29.
Los polímeros proteicos recombinantes tipo elastina (ELPs, Elastin-like recombinant
protein polymers) presentan una biocompatibilidad extraordinaria y destacan por la capacidad
de autoensamblaje. El grado de complejidad y control del entorno que permiten los
materiales inteligentes desarrollados a partir de polímeros basados en elastina supera el
alcance de las más avanzadas tecnologías en química de polímeros, ofreciendo nuevas
posibilidades en la obtención de biomateriales sintéticos avanzados30.
Por último, es importante destacar una de las aplicaciones de creciente interés para el
uso de sistemas poliméricos biodegradables. Como se ha descrito más arriba, los sistemas
combinados basados en polímeros y copolímeros derivados de ácido láctico y monómeros
acrílicos son sensibles a temperatura y pH, cualidades que pueden ser explotadas para su
uso como soporte o andamiaje en la regeneración de tejidos, o bien como implante para la
fijación de fracturas óseas27.
Patentes de invención
El resultado de la investigación desarrollada en el campo de los polímeros inteligentes
para su aplicación en biomedicina ha permitido la generación de patentes que han sido
adoptadas con gran éxito por la industria farmacéutica. En la tabla 1 se muestra un listado
de polímeros industriales sensibles a cambios de pH que son empleados como
recubrimiento de fármacos. Estos polímeros evitan la degradación del fármaco a pH bajo,
como el característico del interior del estómago (pH 1.4), mientras que en el intestino
delgado, la elevación de pH (6.7-7.4) promueve la disolución de la cápsula polimérica,
permitiendo la liberación del fármaco y promoviendo su rápida absorción hacia el tejido
sanguíneo.
36
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Tabla 1. Polímeros industriales empleados en preparaciones medicinales31
Copolímero
Masa
Molecular
Relación
carboxieter
Nombre
Fabricante
comercial
País
Acido metacrílico-
135000
1:1
Eudragit L
Röhm Pharma GMBH
metilmetacrilato
135000
1:2
Eudragit S
Röhm Pharma GMBH
―
―
MPM-05
Tanabe Seiyaku Co. Ltd
MPM-06
Tanabe Seiyaku Co. Ltd
Japón
Freund Sangyo Co. Ltd
Japón
CarboximetiletilCelulosa
Acetato de celulosaFtalato
Hidroxipropilmetilftalato de celulosa
―
―
CMEC
―
―
CAP
―
―
HP-50, HP-55
―
―
AS-M, AS-H
150000
―
Eudragit E
Acetato de
Hidroxipropilmetilcelulosasuccinato
Wako Pure Chemicals
Ltd
Shin-Etsu Chemical
Co. Ltd
Shin-Etsu Chemical
Co. Ltd
Alemania
Japón
Japón
Japón
Dietilaminoetilmetacrilatometilmetacrilato (o
Röhm Pharma GMBH
Alemania
butilmetacrilato)
Durante los últimos años, las patentes de invención que recogen el uso de polímeros
inteligentes en biomedicina han experimentado un aumento significativo en cuanto a la
diversidad de aplicaciones potenciales disponibles. A continuación se describen algunas de
estas patentes de invención publicadas entre los años 2005 y 2009.
La patente de invención china CN 10123918932 de un solicitante individual hace
referencia a la preparación de un conjugado a partir de fármacos
antirretrovirales
(Tenofovir, Adefovir) y un polímero inteligente al que denominan “R”. La innovación de
este compuesto se centra en la mejora en la farmacocinética de los antirretrovirales
empleados, incrementando la biodisponibilidad y la absorción intestinal de éstos y
reduciendo la toxicidad renal del medicamento, lo que convierte al conjugado en un
fármaco seguro.
La patente de invención WO200802726333 solicitada por Abbott Cardiovascular
Systems en 2008, describe una composición polimérica dirigida a la paliación de los
síntomas de la enfermedad de la arterias coronarias (EAC). La EAC se caracteriza por la
lesión e inflamación de las paredes de los vasos sanguíneos que irrigan al tejido cardíaco, lo
37
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
que implica el estrechamiento de éstos dificultando el transporte eficiente de oxígeno al
tejido. Esta disfunción de los vasos sanguíneos coronarios se traduce finalmente en
episodios como ataques cardíacos o anginas de pecho. El conjugado descrito por la patente
de Abbott Cardiovascular Systems incluye partículas de poliesteramida (PEA), polímero
biocompatible cuya biodegradación se potencia en microambientes inflamatorios, asociada
a fármacos anti-inflamatorios y factores de crecimiento angiogénicos, como el factor de
crecimiento endotelial vascular (VEGF). La administración directa del conjugado
polimérico al torrente sanguíneo permitiría la liberación controlada de los fármacos en las
localizaciones tisulares afectadas por EAC.
La patente de invención CN1718616 A34, reivindica un nanogel inteligente para
aplicaciones biomédicas constituido por un núcleo polimérico a base del carbohidrato
poliosa, sensible a temperatura, y una carcasa formada por un polímero acrílico capaz de
responder a variaciones de pH.
La invención WO 2008131123 A135 solicitada en 2008 por la Universidad de Texas,
describe un nuevo tipo de hidrogel con actividad sensora (recognitive hydrogel), conformado
por un tipo de polímero denominado MIP (molecular imprinted polymer), capaz de reconocer
específicamente una molécula diana y polímeros conductores (CP, conductive polymers),
asociados a los primeros y capaces de conducir carga eléctrica. A través de la combinación
de uno o varios MIPs a CPs se pueden conseguir dispositivos sensores en los que el
reconocimiento de la molécula diana por parte del MIP de lugar al cambio conformacional
del CP, alterando su conductividad. Este evento puede ser monitorizado mediante un
sensor de impedancia acoplado al sistema, de modo que se obtiene una señal cuando la
molécula diana se enfrenta al sistema polimérico.
La patente US 2005013988 A136 describe el diseño de materiales mesoporosos (sólidos
que se caracterizan por poseer poros regulares en el rango de tamaño comprendido entre
los 2 y los 50 nm de diámetro) capaces de controlar de manera reversible el tránsito de
especies moleculares a través de la matriz porosa. Los solicitantes de la patente han
comprobado que la presencia de poli(N-isopropil acrilamida) en una red porosa puede ser
empleada para la modulación del transporte de solutos acuosos en función de un estímulo
exógeno. La configuración que adoptan estos polímeros inteligentes dentro de la matriz
mesoporosa determina el ordenamiento de la estructura interna del material. Una vez
expuesto el material al estímulo desencadenante de respuesta por parte del polímero
inteligente, la matriz mesoporosa es reconfigurada. Este mecanismo permitiría, por
38
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ejemplo, que en función de un estímulo concreto la matriz mesoporosa modulase
internamente su grado de permeabilidad a un soluto.
Con el objeto de ilustrar la reciente evolución de la producción de patentes y artículos
científicos que versan sobre la aplicación de polímeros inteligentes en biotecnología y
biomedicina, se ha realizado un estudio estadístico sobre la actividad científica e inventiva a
partir de búsquedas bibliográficas realizadas en la base de datos ISI Web of Knowledge de
Thomson (Web of Science).
A través de la sentencia de búsqueda TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME
responsive* SAME polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
se
TS=(intelligent* SAME polymer*) AND TS=(bio* OR medical OR medicine OR health OR drug*),
obtuvieron un total de 620 documentos entre 1991, año en el que aparecen los primeros
artículos y patentes relacionados con este tema y 2009 (datos actualizados a fecha de
septiembre de 2009). Los documentos comprenden 535 artículos científicos y 85 patentes
de invención.
La siguiente figura muestra el análisis del número de publicaciones científicas por
institución. Se han representado únicamente las instituciones a partir de ocho
publicaciones. Los resultados indican que la institución con mayor número de
publicaciones científicas relacionadas con los polímeros inteligentes y sus aplicaciones en
biotecnología y medicina es la Universidad de Washington.
Instituciones
Univ Valladolid
Purdue Univ
Lund Univ
Univ Washington
Duke Univ
Univ Utah
Univ Tokyo
Tokyo Womens
Med Univ
Indian Inst
Chine se Acad Sci
Technol
Figura 2. Análisis del número de publicaciones por institución
39
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
La figura 3 muestra un análisis del número de publicaciones por autor. Sólo se han
incluido aquellos autores con un número igual o mayor a siete publicaciones científicas.
A.S. Hoffman posee el mayor número de publicaciones (28), seguido de PS Stayton y T
Okano con 24 y 12 artículos científicos respectivamente.
Número de publicaciones por autor
30
Nº Publicaciones
25
20
15
10
5
KA
K
PE
AT
AO
PP
AS
N
A
K
N
JC
R
O
D
RI
G
B
T
SH
M
AT
T
IM
O
BO
IA
SS
O
JI
EL
LO
B
U
E
Z-
IY
A
CA
IL
KO
C
H
YO
R
G
AL
AE
V
TI
A
K
O
T
PS
AS
SH
ID
AN
ST
AY
TO
O
FF
H
O
N
M
AN
0
Figura 3. Análisis de número de publicaciones por autor
La figura 4 representa el número de patentes de invención relacionadas con las
aplicaciones de polímeros inteligentes en medicina y biotecnología que ostentan diferentes
países. En este caso es notable la supremacía de los Estados Unidos, que aparece a la
cabeza de la lista con 53 patentes de invención, seguido por la Republica Popular de China
y Japón con 7 patentes y Korea con 3. Se ha identificado una patente de invención
española, publicada por la empresa valenciana NANOBIOMATTERS S.L.
Patentes publicadas por países
60
50
Nº Patentes
40
30
20
10
a
Su
iz
ia
Su
ec
a
an
d
Ze
l
a
a
In
di
a
ue
v
N
an
d
H
ol
añ
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Es
p
an
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C
an
da
Ir
l
ta
ña
re
B
n
G
ra
Fi
n
la
nd
ia
ia
al
Au
st
r
n
Ko
re
a
Ja
pó
a
hi
n
C
EE
U
U
0
Figura 4. Análisis de número de patentes de invención sobre aplicaciones en bio y medicina de
polímeros inteligentes, publicadas por diferentes países. (1991-2009)
40
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Se ha optado por omitir el análisis de resultados obtenidos por compañías o
instituciones solicitantes de la patente de invención, puesto que no es muy representativo.
En ocasiones, los solicitantes son inventores individuales. La Secretaría Americana de
Armada (US Secretary of the Army) es la única institución con 4 patentes de invención y la
empresa japonesa Cannon KK y la americana Eastman Kodak ostentan 3 patentes de
invención.
III.2. APLICACIONES EN TECNOLOGÍAS ELECTRÓNICAS
Comportamiento electro-mecánico
Tal y como se comentó en capítulos anteriores, los polímeros electroactivos (EAP)
son materiales que frente a un estimulo eléctrico experimentan una respuesta mecánica.
Gracias a este comportamiento electromecánico, los polímeros electroactivos son los
actuadores fabricados por el hombre con mayor parecido a los músculos naturales. Es por
esto que han recibido el nombre de “músculos artificiales”37.
Los músculos naturales transforman, con alta eficiencia, la energía química en energía
mecánica y calor. La actividad de un músculo natural incluye (a) el medio acuoso, (b) los
pulsos eléctricos que van del cerebro (generador de pulso) al músculo a través del sistema
nervioso, (c) la liberación de iones calcio dentro de sarcómero, (d), reacciones químicas, (e)
movimientos conformacionales de las cadenas poliméricas naturales (actina y miosina)
inducida por la reacción química debido al cambio de volumen del sarcómero, (d)
intercambio de agua. Estos “motores” naturales proporcionan movimientos suaves y
elegantes que aún no han sido reproducidos por ningún motor fabricado por el hombre38.
Dentro de los materiales artificiales, los procesos químicos y físicos relacionados con
la electroquímica de los polímeros conductores presentan grandes semejanzas con los
fenómenos biológicos, las propiedades y las funciones descritas anteriormente, con mayor
similitud que los vinculados a otros materiales artificiales.
Se han desarrollado músculos artificiales con sensibilidad al tacto, capaces de empujar
un obstáculo de acuerdo al esfuerzo necesario. Este músculo artificial es simultáneamente
un sensor y un actuador39. Se han llevado a cabo más investigaciones respecto a este tema
cuyos resultados abren nuevas posibilidades en el campo de los músculos artificiales38. En
este sentido, en el Centro de ElectroQuímica y Materiales Inteligentes de la Universidad
Politécnica de Cartagena se estudian las aplicaciones electroquímicas de los polímeros
conductores en actuadores y músculos artificiales (mini y microrobótica)40.
41
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Las propiedades que presentan los polímeros electroactivos los hacen atractivos para
una amplia variedad de aplicaciones. En los últimos años se ha producido un progreso
significativo en la fabricación de actuadores en el campo de los polímeros electroactivos y
comienzan a emergen los productos comerciales. Se han descrito dispositivos EAP en
altavoces, control del enfoque para cámaras en teléfonos móviles, pinzas y manipuladores
en miniatura y membranas o diafragmas para bombas41. En el campo de la medicina se
estudia el empleo de estos polímeros en prótesis inteligentes e instrumentos médicos
eficaces. Si bien estamos muy lejos de la práctica, la fabricación de prótesis ligeras puede ser
uno de los beneficios del empleo de los polímeros electroactivos41.
En la tabla 2 se muestran los distintos tipos de polímeros electroactivos, los grupos en
los que se engloban según su principio de funcionamiento, materiales identificados,
ventajas, inconvenientes y ejemplos de aplicaciones descritas en bibliografía.
Comportamiento electro-óptico
Los materiales capaces de controlar el paso de la luz a través de ellos de forma
electrónica, se pueden clasificar, de forma aproximada, en tres tipos: cristales líquidos,
materiales
electrocrómicos
(EC)
y
partículas
suspendidas42.
Los
materiales
electrocrómicos son aquellos que sufren un cambio de color reversible cuando se reducen
o se oxidan al paso de una corriente eléctrica43.
Según R. Vergaz y colaboradores42: “Un dispositivo EC es un recubrimiento multicapa de
pocas um de espesor, consistente en un conductor iónico puro (electrolito) situado entre dos capas: una de
material EC y otra de otro material llamado electrodo contador”.
Se enumeran a continuación algunas especies químicas que muestran propiedades
electrocrómicas: películas de óxido metálico (especialmente óxido de tungsteno),
viológenos (sales de 4,4'-bipiridilo, en disolución y como película polimérica) y los
polímeros conductores (tales como películas delgadas de polipirrol, politiofeno y
polianilina)43. Sin embargo, es importante destacar que mientras muchas especies químicas
muestran electrocromismo, solamente aquellas con parámetros44 electrocrómicos
favorables son potencialmente útiles en aplicaciones comerciales. Así pues, la mayoría de
las aplicaciones requieren materiales electrocrómicos con alta relación de contraste,
eficiencia de coloración, ciclo de vida y eficiencia escritura-borrado. El rendimiento de
algunos parámetros depende de la aplicación, por ejemplo, los displays necesitan bajos
tiempos de respuesta, mientras que las “ventanas inteligentes” pueden tolerar tiempos de
respuesta de hasta varios minutos43.
42
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Adaptar el color de los polímeros electrocrómicos es un área de investigación
particularmente activa. Se investigan nuevas síntesis, nuevos métodos químicos y físicos
para el control del color de estos materiales43.
Entre los artículos científicos encontrados en bibliografía relacionados con los
polímeros electrocrómicos se encuentran aplicaciones tales como: lentes para cámaras45,
ventanas inteligentes46, 47, gafas de sol inteligentes48, pantallas planas y espejos inteligentes49.
El concepto de gafas de sol apareció a principios de los años 20, siendo Sam Foster
el inventor de estos instrumentos ópticos (Trademark filed November 3, 1959. Reg. No.
0703527). El plástico (policarbonato y resina CR-39) y el vidrio son los materiales
tradicionalmente empleados en la fabricación de las lentes, sin embargo las gafas de sol con
este diseño tienen un color fijo y la transparencia no es variable. Esto puede ser un
problema durante la realización de actividades al aire libre, como el motociclismo, el esquí y
la conducción, puesto que las condiciones de luz solar pueden variar considerablemente48.
Para solucionar este problema se desarrollan las lentes fotocrómicas. Estas lentes
incorporan en su interior (o en un film aplicado a ellas) moléculas sensibles a la luz cuyo
objetivo es hacer que las lentes sean menos transparentes cuando se exponen a la radiación
ultravioleta. Una vez que se reduce la componente UV, las lentes vuelven gradualmente a
su estado transparente. Las lentes de cristales fotocrómicos generalmente incorporan
haluros de plata, mientras que las lentes fotocrómicas poliméricas emplean moléculas
orgánicas, tales como oxazina y naptopirano50.
Sin embargo, estas lentes presentan determinados factores limitantes50:
▪ Se oscurecen sustancialmente en respuesta a la luz UV en menos de un minuto y
continúan en este estado durante los siguientes 15 minutos. Cuando la exposición a la luz
UV cesa, las lentes comienzan a “clarear” en 2 minutos y en 5 minutos son generalmente
transparentes, pero normalmente este último paso puede tardar más de 15 minutos.
▪ Las lentes fotocrómicas solamente responden a la luz UV y no a la luz visible.
▪ Las lentes exhiben dependencia de la temperatura. Cuanta más alta es la temperatura,
menos se oscurecen. Por ello, son más adecuadas para climas fríos que para ambientes más
cálidos.
43
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Tabla 2. Tipos de EAP, principios de funcionamiento, materiales identificados, ventajas, inconvenientes41 y ejemplos de aplicaciones descritas en bibliografía.
Principio
Tipo EAP
Materiales identificados
Ventajas
Inconvenientes
Ejemplos aplicaciones descritas
Polímeros
Polifluoruro de vinilideno-trifluoroetileno
▪ Funcionamiento a
Aplicaciones piroeléctricas51,
EAP
ferroeléctricos
(PVDF-TrFE)
temperatura ambiente durante
dispositivos de memoria52
activación-campo
EAP dieléctrico
Silicona, poliuretano
tiempos largos
▪ Necesario campos altos
▪ Respuesta rápida (ms)
(200 V/µm)
(fuerza
electrostática)
Elastómeros
electroestrictivos
Geles iónicos
Copolímero PVDF-TrFe modificado
▪ Induce relativamente
Robot biomimético53, 54
Aplicaciones aeroespaciales55
grandes fuerzas
Gel de polivinilalcohol con dimetilsulfóxido
Baterías de litio56
Poliacrilonitrilo con fibras conductoras
Bases iónomeros:
IPMC
Nafion® (perfluorosulfonato, de Dupont)
(Ionomeric
Flemion® (perfluorocarboxilato, de Asahi
EAP
Polymer Metal
Glass, Japon)
iónicos
Composites)
Cationes: tetra-n-butilamonio, Li+ y Na+
Metal: Pt y Au
Polímeros
Polipirrol, polietilendioxitiofeno, poli(p-
conductores
fenilenvinileno), polianilina y politiofeno
Nanotubos de
Nanotubos de carbono monocapa y
carbono
multicapa
▪ Respuesta lenta (fracción de
▪ Bajo voltaje
segundo)
Antenas inteligentes57,
▪ El material se dobla con
sensor táctil multifuncional (para aplicaciones en
relativa baja fuerza
medicina)58
▪ Bajo rendimiento
▪ En sistemas acuosos, se
produce hidrólisis a >1.23 V
Pilas de combustible59, dispositivos de emisión de
luz60
Sensores, actuadores61
44
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
En contraposición a estas lentes, se encuentran los materiales inteligentes que cambian
de color bajo la aplicación de un potencial eléctrico. Estos materiales, como se comentó
anteriormente, pueden ser de tres tipos: partículas suspendidas, cristal líquido y
electrocrómicos. Los dos primeros presentan una respuesta rápida y no sufren la
dependencia de la temperatura y de la luz UV como le sucede a las lentes fotocrómicas, sin
embargo, requieren altos voltajes y costosos procesos de producción. Los dispositivos
basados en polímeros EC presentan varias características deseables, como pueden ser entre
otras: requerimientos de potencia sólo durante el estado “encendido”, voltaje de operación
y consumo de energía bajos, tiempo de respuesta rápido, repetibilidad, disponibilidad de
colores, fácil fabricación48, 50.
La patente WO2008/118967 A150 reivindica unas gafas con lentes inteligentes que
incorporan polímeros electrocrómicos. El polímero puede variar su transmitancia en
respuesta al voltaje aplicado. La montura incorpora adicionalmente un gestor de batería e
incluso puede contener sensores y controladores para automatizar la conmutación.
Investigadores de la Universidad de Washington han desarrollado una nueva serie de
polímeros electrocrómicos de color azul, rojo y verde. En su estudio proponen gafas de sol
basadas en estos polímeros, que se prevé sean comercializadas en un futuro próximo48.
Según R. Vergaz y colaboradores62: “Las ventajas de utilizar el electrocromismo en unas gafas
son evidentes: la misma gafa puede servir para ambientes cerrados y para el aire libre. Aunque eso ya lo
hacen los fotocrómicos, pero la diferencia es que los cristales recubiertos con materiales electrocrómicos pueden
conmutar más rápidamente y sobre todo de forma controlada.”
Una de las líneas de trabajo del Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas de la
Universidad Carlos III de Madrid63 es la caracterización de dispositivos electroópticos y sus
aplicaciones. Este grupo de investigación, junto con la Universidad de Valladolid y el
Centro de Tecnologías Electroquímicas (CIDETEC) han desarrollado unas gafas que
emplean filtros electrocrómicos controlables para personas con baja visión64. Estos filtros
modifican la distribución espectral de la luz que llega al ojo, por lo que los pacientes
experimentan una notable mejoría respecto a los problemas de visión. El ajuste de los
filtros se realiza a voluntad del usuario mediante la electrónica de control asociada.
La patente WO2005015301A165 solicitada por la Fundación CIDETEC en febrero de
2005, describe un dispositivo electrocrómico basado en polímeros conductores, el
procedimiento de obtención del mismo, así como el producto obtenido. El dispositivo
electrocrómico está constituido por una estructura multicapa compuesta por una capa de
substrato transparente, una capa de polímero conductor, un electrolito, otra capa de
45
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
polímero conductor y otra capa de substrato transparente, de forma que el polímero
conductor actúa como material electrocrómico y como colector de corriente al mismo
tiempo, permitiendo que el dispositivo electrocrómico presente excelentes prestaciones al
poder controlar el nivel de transmitancia y el cambio de color del material en función del
potencial aplicado.
En relación a las ventanas inteligentes, T. Fernández Otero49 describe en “Polimeros
conductores: síntesis, propiedades y aplicaciones electroquímica” la aplicación de los polímeros
conductores en ventanas inteligentes de la siguiente forma:
“Las ventanas inteligentes permiten el control de la intensidad de la luz capaz de penetrar en un
espacio cerrado: edificios, coches, aviones, etc. La más utilizada es una estructura de tres capas
(polímero/electrolito/óxido). La oxidación del polímero provoca un cambio de color (de amarillo claro a
azul en polipirrol) e incrementa su reflectividad. La simultánea reducción del óxido provoca un cambio
similar de incoloro a azul (óxido de wolframio). La capa intermedia actúa con un electrolito sólido
transparente. Por lo tanto durante la oxidación del polímero la intensidad de luz que atraviesa la ventana
desciende y la reflectividad aumenta. Durante la reducción polimérica ocurre el proceso inverso.
La intensidad puede ser controlada manualmente o automáticamente mediante la conexión de un
suministrador de potencial con un fotomultiplicador a través de un microprocesador y un programa que
defina el nivel de intensidad requerido. Cuando anochece la luz no es suficiente para mantener la
iluminación adecuada (estando el polímero en estado reducido) se conecta automáticamente la luz eléctrica y
se controla la intensidad hasta alcanzarse el nivel adecuado de intensidad.”
A. Piccolo et al.66 estudian las ventanas electrocrómicas en relación al control de la
iluminación natural en los edificios. Estos investigadores realizan un experimento a escala
de laboratorio bajo condiciones meteorológicas reales. Para ello emplean una pequeña
unidad de doble acristalamiento que consta de dos paneles, uno de ellos es de un
dispositivo electrocrómico y el otro, de vidrio transparente. Los experimentos se llevan a
cabo en función del tiempo, de las condiciones meteorológicas, de la orientación del equipo
y de las estrategias de “conmutación”. Los resultados muestran que la elección del ángulo
del cristal combinado con el efecto de conmutación activa permiten un amplio rango de
estados de transmisión para adaptar la latitud y orientación del edificio a las condiciones
climáticas locales.
A pesar de los considerables avances observados en los últimos años en este tipo de
tecnología, los consumidores de estos productos no tienen una herramienta o método que
les proporcione datos simples y directos de la eficiencia energética de las ventanas
inteligentes de manera que puedan comparar sus rendimientos energéticos y decidir cuál
46
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
comprar. Investigadores de la Universidad de Patras67 (Grecia) plantean una metodología
alternativa para evaluar el rendimiento medioambiental y energético de vidrios inteligentes.
En su estudio emplean el caso de una ventana electrocrómica. Este sistema de evaluación
combina un estudio del ciclo de vida y un análisis “eco-eficiencia”.
Otras de las aplicaciones de los polímeros conductores es la tempestización de
equipos. Los equipos electrónicos para el procesamiento de datos o para la comunicación
de datos producen emisiones electromagnéticas que se relacionan con los datos procesados
por el sistema. Cuando el contenido es confidencial, como en las aplicaciones militares, las
emisiones deben ser rigurosamente controladas. Aunque el problema surgió por primera
vez en el sector militar, las entidades bancarias y las empresas dependen plenamente de los
equipos electrónicos para procesar y transmitir datos seguros. Por ello, la tempestización de
equipos se convierte en una parte vital de la seguridad en las comunicaciones68.
Entre las líneas de investigación del Departamento de Tecnología Electrónica de la
Universidad Carlos III de Madrid se encuentra el estudio de la compatibilidad
electromagnética (filtros EMI, precertificación, seguridad laboral, etc.)69.
Es importante mencionar que debido a la naturaleza sensible de este tipo de
aplicación, los resultados de las búsquedas bibliográficas han sido muy limitados.
III.3. OTRAS APLICACIONES
Entre los distintos tipos de materiales inteligentes, los polímeros parecen ser los más
prometedores para aplicaciones en la industria textil70. Conocidos como tejidos
electrónicos (e-textiles) o tejidos inteligentes (smart textiles) son capaces de responder a los
estímulos externos.
La primera generación de tejidos inteligentes apareció en 1996 debido a la demanda
del departamento de la Marina de los Estados Unidos con el desarrollo de “Georgia Tech
Wearable Motherboard”71,72. Este tejido inteligente denominado popularmente “camisa
inteligente o piel inteligente” es capaz de detectar la penetración de un proyectil,
monitorizar los signos vitales del cuerpo del soldado y transmitir la información al puesto
médico cerca del campo de batalla18.
Según uno de los trabajos presentados en la Conferencia Internacional sobre
Materiales Inteligentes, y Nano-Micro Sistemas Inteligentes, en el año 2006, los apósitos
inteligentes que facilitan la cicatrización de las heridas serán cada vez más importantes.
Estos apósitos están basados en microgeles que presentan una rápida respuesta a los
estímulos externos, tales como la temperatura o el pH, sufriendo fenómenos de
47
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
hinchamiento y contracción, proporcionando de esta forma un nuevo sistema de liberación
de fármacos73.
En este sentido, un estudio posterior de la Universidad de Twente (Países Bajos)
presenta una estrategia innovadora para el acabado funcional del algodón. Para ello
emplean microhidrogeles preparados a partir de dos polímeros, uno sensible al pH y otro
sensible a la temperatura. Los autores del trabajo esperan que los resultados sean una
alternativa en la creación de nuevas materias textiles avanzadas con posibles aplicaciones en
diversos campos (por ejemplo, medicina)74.
Por otra parte, investigadores de la Universidad de Wollongong en Australia han
publicado un estudio sobre una rodillera inteligente que emplea la tecnología de polímeros
conductores para proporcionar información sobre el ángulo de flexión de la rodilla para la
prevención de lesiones75.
Se ha recogido, a modo de ejemplo, un listado no exhaustivo de productos fabricados
con tejidos inteligentes (tabla 3). Se incluye el nombre de la empresa y la funcionalidad de
cada uno de estos productos.
Se reconoce que la monitorización de las señales relacionadas con las actividades
mecánicas o fisiológicas del cuerpo humano es una de las principales ventajas del uso de los
tejidos inteligentes en biomedicina y disciplinas relacionadas con la salud. En la tabla 4 se
muestra una lista de señales o variables del cuerpo humano bajo monitorización con tejidos
electrónicos y los dispositivos/componentes propuestos junto al tipo de dispositivo para su
puesta en funcionamiento76.
En referencia a las patentes de invención sobre aplicaciones de polímeros inteligentes
para la industria textil, se ha identificado una invención de la Universidad china de
Donghuaen77 en la que se describe una preparación de una película compuesta de polímero
inteligente permeable (permeate) a la humedad. También puede ser utilizado para preparar
tejidos permeables inteligentes o tejidos impregnables resistentes al agua con excelente
capacidad de impregnación, en aplicaciones para material deportivo, tiendas, material de
ingeniería y para vuelos espaciales.
48
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Tabla 3. Listado no exhaustivo de productos fabricados con tejidos inteligentes, nombre de la
empresa y funcionalidad de cada uno de los productos.
Empresa
Sensatex, Inc.
www.sensatex.com
Producto
Funcionalidad
Camiseta unisex para obtener
Sensatex SmartShirt78
información del cuerpo humano; ej.
frecuencia cardíaca.
Verhaert
Mamagoose pijama
www.verhaertspace.com
BE1014643-A379
Pijama concebido como herramienta para
la prevención del síndrome de muerte
súbita infantil.
Ropa deportiva para detectar pulsaciones
cardiacas y recoger la información en una
Cetemmsa
unidad de control. Chaqueta de esquí con
www.cetemmsa.com
termómetro textil integrado a través de
pigmentos termocromáticos.
VivoMetrics®
www.vivometrics.com
LifeShirt®
Camiseta con sensores para detectar la
Nº Marca Comunitaria
actividad del corazón, la respiración, la
registrada: 002338184
postura y actividad física.
ETH Zurich
www.wearable.ethz.ch/resea
Smash
rch/groups/textiles/smash
Smartex
www.smartex.it
Wearable Health Care
System (IST-2001-37778,
EU funded project)80
Camiseta para detectar el movimiento del
cuerpo.
Tejido para vigilar los signos vitales del
paciente.
49
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Tabla 4. Señales o variables del cuerpo humano, dispositivos/componentes propuestos y tipo de
dispositivo para su implementación en el tejido76.
Señales o variables del
cuerpo humano
Dispositivo/componentes
Tipo de dispositivo para su
implementación
Electrocardiograma
Bioelectrodos
Electrodos integrados en textil
Electromiograma
Bioelectrodos
Electrodos integrados en textil
Fibras textiles o tiras de pequeño
Pulso carotídeo y pulso radial
Sensores piezoeléctricos
tamaño basadas en polímeros
electroactivos
Fibras textiles basadas en
Balistocardiograma
Sensores piezoeléctricos
polímeros electroactivos o tiras
de pequeño tamaño
Fibras textiles o tiras de pequeño
Respiración
Sensores piezoresistentes
tamaño basadas en polímeros
electroactivos
Posición y movimiento de
segmentos de las articulaciones
Fibras textiles o tiras de pequeño
Sensores piezoresistentes
tamaño basadas en polímeros
electroactivos
Impedancia eléctrica de la piel
Biolectrodos
Electrodos integrados en textil
Oxigenación de la sangre
Fibras ópticas
Fibras ópticas
Sonido
Sensores piezoeléctricos
(micrófonos)
Fibras textiles o tiras de pequeño
tamaño basadas en polímeros
electroactivos
Fibras textiles o tiras de pequeño
Temperatura de la piel
Sensores termoeléctricos
tamaño basadas en polímeros
electroactivos
Existen actualmente en el mercado tejidos inteligentes compuestos por materiales de
cambio de fase (PCMs = Phase Change Materials) reguladores de temperatura. Estos
materiales absorben el calor corporal, lo almacenan y liberan cuando se necesita, a través de
un cambio de fase de estado sólido a líquido y viceversa.
La tecnología PCM Outlast® Adaptive Comfort® fue originariamente desarrollada
para la NASA con el fin de proteger a los astronautas de los cambios de temperatura
extremos del espacio81.
En sí, estos materiales de cambio de fase pueden ser de dos tipos, orgánicos (como
parafinas y ácidos grasos) o inorgánicos (como sales hidratadas). Para su aplicación en
50
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
tejidos, estos PMC se encuentran en forma de cápsulas de polímeros naturales y sintéticos.
En este sentido, se han encontrado en la bibliografía científica estudios de
microencapsulación de PMC. Se citan a continuación algunos de estos trabajos.
Ming You y colaboradores82 estudiaron una espuma de poliuretano que contiene
materiales de cambio de fase microencapsulados. Chen Liang y colaboradores83 emplearon
microcápsulas de poliurea conteniendo materiales de cambio de fase. LC Hao y WD Yu84
estudiaron la microencapsulación de PCM con acrilonitrilo.
Entre las áreas de actividad del Laboratorio de Tecnología Química y Polimerización
del Departamento de Ingeniería Química de la Universidad de Castilla La Mancha85 se
encuentra la síntesis de micropartículas conteniendo PCMs.
Otra aplicación en textil se encuentra en el uso de polímeros conductores en
materiales textiles con sistemas electrónicos integrados. Integrando fibras de polímeros en
fibras textiles, es posible conectar dispositivos electrónicos entre puntos distantes de una
misma prenda sin que haya un cable de cobre al efecto.
T. Linz et al.86 explican en el documento “Embroidered interconnections and encapsulation for
electronics in textiles for wearable electronics applications” los diferentes enfoques a la integración de
la electrónica en el sector textil. En este trabajo se discuten las normas y pruebas
relacionadas con la electrónica en los tejidos y se evalúa la tecnología de encapsulación
respecto a su empleo en la industria de los sistemas electrónicos integrados.
Otra de las prometedoras aplicaciones de los polímeros inteligentes es su utilización
como materiales para envasado de productos alimenticios en la industria
agroalimentaria87.
La industria alimentaria posee un marcado interés en los beneficios potenciales que
puedan aportar los usos de los nuevos materiales fabricados por la nanotecnología. En este
sentido, se trabaja en el desarrollo de nuevos productos basados en la nanociencia. Estos
productos pueden dividirse en dos subcategorías, en función de si entran en contacto
directo con el alimento o no, a saber:
-
Envases con propiedades mejoradas: Los denominados envases pasivos.
-
Envases activos: interactúan directamente con el producto y/o su medio
ambiente, alertando de cuando hay un deterioro. Incluso en ocasiones, se han desarrollado
envases que efectúan cambios positivos en el producto almacenado.
También se han desarrollado los denominados envases bioactivos que convierten
alimentos tradicionales en alimentos funcionales, mediante su incorporación en el material
de envase.
51
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
La patente de invención española ES2008/000720/ WO 2009/06598387, solicitada por
la empresa valenciana Nanobiomatters SL, se refiere a un procedimiento para la fabricación
de nuevos materiales y envases pasivos con propiedades mejoradas, activos, inteligentes y
bioactivos, mediante la incorporación de nanorefuerzos obtenidos por técnicas de
electroestirado a matrices plásticas.
Más específicamente, la presente invención defiende el diseño mediante incorporación
en materiales típicos de envase, de materiales poliméricos funcionalizados tanto derivados
del petróleo como provenientes de fuentes biológicas naturales y/o obtenidos por
modificación genética de microorganismos y plantas.
52
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
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VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
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new ionic conducting polymers for fuel cell applications. J Power Sources. 2009; 187(1):98102.
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57
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
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environmental rating of advanced glazing: An electrochromic window case study. Energy
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International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Vols 1-3, Aug 08-12, 2005.
69. Universidad Carlos III de Madrid. Grupo de Sistemas Electrónicos de Potencia
<http://gsep.uc3m.es/pagina%20definitiva%20explorer/index.html>
70. Intelligent materials for intelligent textiles. Proceedings of the Fibres & Textiles in Eastern
Europe; 7th International Symposium on Electrostatic and Electromagnetic Fields (El-Tex
2006), Nov 16-17, 2006.
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72. Park S, Jayaraman S. Smart Fibers, Fabrics and Clothing. X. Tao, 2001.
73. Voelcker NH, editor. Preparation of SMART wound dressings based on colloidal microgels
and textile fibres - art. no. 64130x. Proceedings of the Smart Materials IV; Proceedings of the
58
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers; SPIE International Symposium on Smart
Materials, Nano- and Micro-Smart System, Dec 11-13, 2006, 2007.
74. Functional
Finishing
of
Cotton
with
Dual-Stimuli-Responsive
Chitosan/poly(n-
Isopropylacrylamide) Micro-Hydrogels. Proceedings of the 86th Textile Institute World
Conference, Vol 1, Conference Proceedings; 86th Textile-Institute World Conference, Nov
18-21, 2008, Hong Kong Polytechnic Univ, 2008.
75. Munro BJ, Campbell TE, Wallace GG, Steele JR. The intelligent knee sleeve: A wearable
biofeedback device. Sensors and Actuators B-Chemical. 2008; 131(2):541-547.
76. Electroactive polymer-based devices for e-textiles in biomedicine. Proceedings of the Ieee
Transactions on Information Technology in Biomedicine; International Workshop on New
Generation of Smart Wearable Health Systems and Applications, Dec 11-14, 2003; SEP,
Piscataway,USA.
77. Univ Donghua. Preparation and Application for Intelligent Moisture-Permeable Polymer
Composite Film. 2007; (CN101037510 (A)).
78. Georgia Res. Tech. Institute. Full-Fashioned Weaving Process for Production of a Woven
Garment with Intelligence Capability. 2000; (EP1062386 A2; US6145551).
79. Verhaert Production services N. Recording and Simulating Body Movements using Virtual 3D
Model, by Measuring Absolute Angle Positions for Body Parts at Given Time in Space. 2004;
(BE1014643-A3).
80. Smartex S.R.L. Device for the Monitoring of Physiologic Variables through Measurement of
Body Electrical Impedance. 2006; (Wo2006027360-A1).
81. Outlast Adaptive Comfort. <http://www.outlast.com/index.php?id=1&L=4>
82. You M, Zhang X, Wang J, Wang X. Polyurethane foam containing microencapsulated phasechange materials with styrene-divinybenzene co-polymer shells. J Mater Sci. 2009; 44(12):31413147.
83. Chen Liang, Xu Lingling, Shang Hongbo, Zhang Zhibin. Microencapsulation of butyl stearate
as a phase change material by interfacial polycondensation in a polyurea system. Energy
Conversion and Management. 2009; 50(3):723-729.
59
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
84. Li Y, Luo X, Li J, Chen AZ, editors. Preparation and Characterization of New Phase Change
Material Microcapsules Suitable for Thermal Insulating Fabrics. Proceedings of the Textile
Bioengineering and Informatics Symposium Proceedings, Vols 1 and 2; 1st International
Symposium of Textile Bioengineering and Informatics, Aug 14-16, 2008.
85. Universidad de Castilla-La Mancha. Laboratorio de Tecnología Química y Polimerización
<http://www.uclm.es/dep/diq/>
86. Vincenzini P, Paradiso R, editors. Embroidered Interconnections and Encapsulation for
Electronics in Textiles for Wearable Electronics Applications. Proceedings of the Smart
Textiles; Advances in Science and Technology; 3rd International Conference on Smart
Materials, Structures and Systems, Jun 08-13, 2008, 2009.
87. Nanobiomatters SL. Method of Manufacturing Passive Packaging with Improved Active,
Intelligent and Bioactive Properties through the Incorporation of Polymers obtained by
Electrospinning Techniques. 2009; (WO2009/065983 A1).
60
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
CAPÍTULO IV. ANÁLISIS BIBLIOGRÁFICO
En esta sección se analiza la actividad científica e inventiva hallada a partir de las
búsquedas realizadas en la base de datos ISI Web of Knowledge de Thomson. Para el
estudio de la bibliografía científica se ha utilizado la aplicación Web of Science y en el caso
de las patentes se utilizó la aplicación Derwent Innovation Index.
Las sentencias de búsqueda empleadas se han indicado en el Anexo V (ver palabras
clave para “polímeros inteligentes”) y los resultados se analizan para el periodo de tiempo
comprendido entre los años 2005 y 2009 (datos actualizados a fecha de julio de 2009). La
información obtenida sobre polímeros inteligentes ha proporcionado una muestra de 824
artículos y 152 patentes, a partir de las cuales se han realizado los dos apartados siguientes.
IV.1. ANÁLISIS POR SECTORES DE ACTIVIDAD
Los polímeros inteligentes tienen aplicación en diferentes sectores industriales, tales
como el textil, el sector aeroespacial, biotecnológico, automoción, construcción y
agroalimentación, entre otros. Las siguientes figuras muestran el análisis del número de
patentes de invención y publicaciones científicas por sectores de actividad.
Nº Patentes
90
80
70
60
50
40
30
20
10
lim
en
t
ac
ió
n
io
Ag
ro
a
Ae
ro
es
pa
c
ón
Te
c.
el
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ón
ic
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st
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-B
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in
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M
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ne
rg
ía
E
Te
xt
i
l
0
Figura 1. Número de patentes de invención relativas a polímeros inteligentes clasificadas por
sectores entre los años 2005 y 2009.
61
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Nº Publicaciones
450
400
350
300
250
200
150
100
50
en
ta
ci
ón
pa
ci
o
A
gr
oa
lim
er
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s
A
Te
c.
e
C
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le
c
tr
ón
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in
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io
M
ed
oc
ió
n
ut
om
gí
a
A
E
ne
r
Te
xt
il
0
Figura 2. Número de publicaciones científicas relativas a polímeros inteligentes clasificadas por
sectores entre los años 2005 y 2009.
Patentes vs Artículos
P atentes
Agroalimentación
Artículos
Aeroespacio
T ec. Electrónicas
Construcción
Medicina-Bio
Automoción
Energía
T extil
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Figura 3. Comparativa entre el número de publicaciones y patentes relativas a polímeros inteligentes
recogidas entre los años 2005 y 2009.
62
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Se puede observar que el mayor número de patentes está relacionado con el sector de
las tecnologías electrónicas y que el mayor número de publicaciones se encuentra en el
sector de la biomedicina. La comparativa entre el número de publicaciones y patentes
parece indicar que en la mayoría de los sectores el número de publicaciones científicas es
superior al número de patentes de invención.
IV.2. ANÁLISIS POR NÚMERO DE PUBLICACIONES Y PATENTES
A continuación se analizan las publicaciones científicas en función de las instituciones
y de los países que más publican. Se estudia también el número de patentes publicadas por
país. Las búsquedas se realizaron entre 2005 y 2009 (datos actualizados a fecha de julio) y
la sentencia de búsqueda empleada fue: TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli*
SAME responsive* SAME polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*)
OR TS=(intelligent* SAME polymer*).
La siguiente figura muestra el análisis del número de publicaciones científicas por
institución. Se han representado únicamente las instituciones con un mínimo de 12
publicaciones. Se observa que la institución con mayor número de publicaciones científicas
(18) en polímeros inteligentes es la Universidad de Washington.
Nº Publicaciones por Institución
U. Tokyo
U. Washington
U. Southern
Mississippi
Chinese Acad
Sci
Univ Sci &
Technol China
Figura 4. Análisis del número de publicaciones científicas relativas a polímeros inteligentes por
institución.
63
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Según la figura 5 se puede observar que EEUU es el país con mayor número de
publicaciones (231), seguido de China (132) y Alemania (94). La figura 6 representa el
porcentaje de patentes de invención relevantes publicadas por diversos países entre 2005 y
2009. Estados Unidos, China y Japón son los países con más actividad inventiva.
Nº Publicaciones por países
Inglaterra
Japón
USA
China
Alemania
Figura 5. Análisis del número de publicaciones científicas relativas a polímeros inteligentes por
países.
Países con patentes relevantes
España
Corea del Sur
USA
Japón
China
Figura 6. Análisis del número de patentes de invención relevantes relativas a polímeros inteligentes
por países.
64
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ANEXO I. PATENTES
A continuación se reflejan las patentes de invención más relevantes sobre polímeros inteligentes publicadas entre los años 2005 y 2009
(actualizado a fecha de septiembre de 2009).
Sector TEXTIL
Número de publicación
WO2009002858-A2
CN101037510-A
Titulo
Nanofiber, useful e.g. in gloves, shunts and stents, comprises stimuli
responsive polymer e.g. poly(isopropylacrylamide), crosslinking agent
having latent reactive activatable groups and optionally biologically
active material
Preparation and application of intelligent moisture permeable polymer
composite film
Aplicante
País
Fecha
INNOVATIVE SURFACE
TECHNOLOGIES LLC
USA
31/12/2008
UNIV DONGHUA
China
19/09/2007
CN1844553-A;
CN100412259-C
Stimuli-responsive textile fabric and method for preparing same
UNIV TIANJIN
POLYTECHNIC
China
11/10/2006
KR2006002443-A
Intelligent and high functional composite fiber containing phase change
material
HUVIS CORP
Corea
09/01/2006
Aplicante
País
Fecha
CANON KK
USA
02/10/2008
CANON KK
Japón
02/10/2008
SANDIA CORP
USA
09/09/2008
Sector Biomédico
Número de publicación
US2008241964-A1
JP2008232716-A
US7422724-B1
Titulo
Biosensor for detecting presence or concentration of target substance
in test solution, comprises magnetic sensor, and stimuli responsive
polymer
Magnetic particles used for biosensor, have surface region provided
with stimuli-responsive polymer and surface
Biological preconcentrator for absorption/desorption of proteins from
fluid comprises polymer film on flow-channel-side of membrane that
absorbs or desorbs protein when film is above or below critical
transition temperature
65
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Número de publicación
WO2008131123-A1
CN101239189-A
JP2008064465-A
US2008057024-A1;
WO2008027263-A2;
WO2008001868-A1
CN101037510-A
CN1768731-A
CN1718616-A
US2005187370-A1
US2005013988-A1
Titulo
Recognitive hydrogel e.g. for use in biosensor, intelligent drug delivery
devices, and systems for immunoassays, comprises imprinted polymer
having binding cavity specific for triggering molecule, and conductive
polymer
Medicine composition for preparing anti-AIDS and anti-hepatitis B
virus medicines, contains a combination of tenofovir and adefovir and
intelligent polymer
Surface for measurement chip for biosensor, contains high molecular
compound bonding biological material recognition molecule with
stimuli-responsive polymer producing phase transition by bonding with
analyte, via spacer molecule
Percutaneous transluminal therapy composition for treating coronary
artery disease, includes solution comprising particles comprising
treatment agent and tunable stimuli-responsive polymer
Kit for detecting analyte such as antigen, human immunoglobulin,
human fibrinogen, C-reactive protein, alpha fetoprotein, hormone or
insulin in sample, comprising first conjugate and second conjugate
Preparation and application of intelligent moisture permeable polymer
composite film
Medicinal bra for preventing and treating mammary glands hyperplasia
and its preparation method
Medical intelligent nano-gel material comprises a core-shell structure
composed of temp-sensitive high-molecular polysaccharide as core and
pH-sensitive acrylic polymer as shell
Block copolymer used as field-effect transistor materials comprises
regio-regular head-to-tail polythiophene segment substituted in 3position
Mesoporous material for controlling molecular transport of aqueous
solute during, e.g. chromatography, comprises
Aplicante
País
Fecha
UNIV TEXAS SYSTEM
USA
30/08/2008
Individual
China
13/08/2008
UNIV TOKYO
Japón
21/03/2008
USA
06/03/2008
Japón
03/01/2008
UNIV DONGHUA
China
19/09/2007
UNIV DONGHUA
China
10/05/2006
UNIV HEFEI
POLYTECHNIC / UNIV
HEFEI TECHNOLOGY
China
11/01/2006
UNIV CARNEGIE
MELLON
USA
25/08/2005
Individual
USA
20/01/2005
ABBOTT
CARDIOVASCULAR
SYSTEMS
CHISSO CORP
ORTHO CLINICAL
DIAGNOSTICS KK
66
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Sector Construcción
Número de publicación
Titulo
Aplicante
País
Fecha
CN1624029-A
Vanadium dioxide sun heat reflection intelligent temp controll high
polymer film
UNIV ZHONGSHAN
China
08/06/2005
Titulo
Aplicante
País
Fecha
MAX PLANCK GES
FOERDERUNG
WISSENSCHAFTEN
Alemania
16/04/2009
UNIV DONGHUA
CHINA
19/09/2007
UNIV ARKANSAS
USA
19/07/2007
Aplicante
País
Fecha
NANOBIOMATTER SL
España
28 /05/ 2009
RAIDENIL LTD
Estonia
20/11/2008
Sector Aeroespacial
Número de publicación
WO2009046915-A1
CN101037510-A
WO2007082299-A2
Corrosion inhibiting coating, useful e.g. for active corrosion protection
of metal substrate, e.g. aluminum and its alloys, comprises sandwichlike complex comprised of e.g. corrosion inhibitor layer, deposited on
metal substrate
Preparation and application of intelligent moisture permeable polymer
composite film
Lubricant composition used as delivery mechanism for lubricating or
coating object including e.g. pumps, transmissions, piston rings,
engines, power generators, and/or inorganic-organic materials,
comprises solid lubricant nanoparticles
Sector Agroalimentario
Número de publicación
WO2009065983-A1
WO2008138355-A1
Titulo
Material manufacturing method, involves adding electrospun fibres to
polymer, and processing and shaping concentrate or dress-enriched
substance to produce material for use in packaging item
Manufacture of smart packaging material for use in food and
pharmaceutical industries, involves using magnetically active organic
compounds or polymers which emit response signal to external
magnetic field at different frequencies
67
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Sector T. Electrónicas
Número de publicación
WO2009007140-A1
WO2008118967-A1
CN101245496-A
DE102006056562-A1
WO2008005399-A1
WO2007010517-A1
US2006081841-A1
US2005187370-A1
Titulo
Coating for technical surfaces, comprises polymer binder material and
active component composed of stimuli-responsive macromolecular
system, where structure of stimuli-responsive macromolecular system
is variable by stimulus
Smart eyewear used as e.g. face shield of helmet, or used in glasses or
goggles, when e.g. hiking, skiing, or motorcycling has support member
to support lens and enable user to wear smart eyewear
Super-polymer fiber intelligent high temperature heat setting machine,
has housing with outer side panel that is fixed on frame, and inner
cavity with two ends sleeved with inner holes of left and right end
telescopic joints
Value card e.g. smart card, has code array that is made of conductive
organic polymers and symbolizes specific monetary value, where code
array is capacitively readable by reading device when using card for
making electronic payment
Apparatus for nanoparticle filled composites, comprises package
including integrated circuit and regions of adjoining materials of
different composition, and mobile nanoparticle filler dispersed
substantially throughout polymer matrix
Preparation of modified polymer, e.g. reinforced polymer used in
manufacture of fishing gear, tires, safety belts, or protective cloth, by
adding preformed polymer to nanotube or nanoparticle suspension,
swelling, and isolating
Composition useful in thin film transistors for integrated circuits e.g.
smart card comprises polymer and a liquid in which the polymer has
lower solubility at room temperature and higher solubility at elevated
temperature
Block copolymer used as field-effect transistor materials comprises
regio-regular head-to-tail polythiophene segment substituted in 3position
Aplicante
País
Individual
Fecha
15/01/2009
UNIV WASHINGTON
USA
02/10/2008
Individual
China
20/08/2008
PRINTED SYSTEMS
GMBH
Alemania
INTEL CORP
USA
10/01/2008
QUEEN ELIZABETH
COLLEGE DUBLIN
Irlanda UK
27/01/2007
XEROX CORP
USA
20/04/2006
UNIV CARNEGIE
MELLON
USA
25/08/2005
05/06/2008
68
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Número de publicación
Titulo
Aplicante
País
Fecha
WO2005015301-A1
Electrochromic device for e.g. smart windows, comprises conductive
polymer acting as electrochromic material and current collector
FUNDACION CIDETEC
PARQUE
TECNOLOGICO MIR
ESPAÑA
17/02/2005
US2005013988-A1
Mesoporous material for controlling molecular transport of aqueous
solute during, e.g. chromatography, comprises porous network, and
stimuli responsive polymer dispersed within the porous network
Individual
USA
20/01/2005
Titulo
Aplicante
País
Fecha
Device for measuring pressure distribution on base material of seat for
vehicle, has filament materials wired so that length of material portion
wired by area of base material is different from that of portion wired
by other area
NISSAN MOTOR CO
LTD
Japon
27/12/2007
Sector Transporte
Número de publicación
JP2007333412-A
69
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ANEXO II. PROYECTOS DE INVESTIGACIÓN
En este epígrafe se recogen los proyectos de investigación y desarrollo relativos a
los polímeros inteligentes. Se muestran en primer lugar los proyectos nacionales y en
segundo lugar, los proyectos de investigación consultados a través del servicio comunitario
de información sobre la investigación y el desarrollo (CORDIS).
PROYECTOS NACIONALES
Universidad de Santiago de Compostela
Dirección Web http://www.usc.es/i+dfarma/proyectos.htm
Título
Referencia
Duración
Sistemas poliméricos con prestaciones avanzadas para liberación
inteligente de medicamentos
Dirección General de Investigación. Ministerio de Educación y Ciencia.
SAF2008-01679
2009-2011
BIOFORGE
Dirección Web http://www.bioforge.uva.es
Título
CIBER "Bioingeniería, Biomateriales y Nanomedicina"
Referencia
Instituto de Salud Carlos III
Ministerio de Sanidad y Consumo (CB06/01/1038)
Duración
2008-2010
Dirección Web
BIOFORGE
http://www.bioforge.uva.es
Título
Diseño, biosíntesis y caracterización de polímeros proteicos tipo elastina
altamente (bio)funcionales para aplicaciones en tratamientos superficiales
para sistemas de Cell Harvesting y guiado celular. ADVANSURF-MAT
Referencia
Ministerio de Educación y Ciencia (MAT 2007-66275-C02-01)
Duración
2007-2010
70
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Base de
Datos
Título
Dynamics of architecturally complex polymers
Referencia
214627
Duración
Coste del
proyecto
01-02-2009 hasta 31-01-2013
3.493.688 EURO
UNIVERSITY OF LEEDS
Organización: Woodhouse Lane (UNITED KINGDOM)
Descripción
The scientific objective of DYNACOP is to obtain a fundamental understanding
of the flow behaviour and the dynamics of blends of topologically complex
macromolecular fluids and their role in processing and properties of blends.
Título
Towards better point of care devices: Conducting polymers as smart
surfaces in biosensors. (CP-SMARTSURFACES)
Referencia
224880
Duración
Coste del
proyecto
01-05-2008 hasta 30-04-2012
100.000 EURO
DUBLIN CITY UNIVERSITY
Organización: Glasvenin (IRELAND)
Descripción
The objective is to exploit the dynamic chemical nature of conducting polymers to
inhibit NSB in electrochemical bio-assays and demonstrate the efficacy of this
approach using a simple nanostructured electrochemical prostate cancer diagnostic
platform made from conducting polymers.
Título
Surface functionalisation of cellulose matrices using cellulose embedded
nano-particles
Referencia
214653
Duración
Coste del
proyecto
01-12-2008 hasta 30-11-2012
7.916.259 EURO
UNIVERSITAET GRAZ
Organización: AUSTRIA
Descripción
The projects main R&T objective is to create new, smart and bio-based surface
nanostructured polymer composites showing exceptional surface functionality
(mechanical, chemical, selective interaction properties). These new materials will be
composed of nano-scaled polysaccharides layers with embedded nano-particles,
coating different celluloses matrices.
71
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Base de
Datos
Título
Biotechnical functionalization of (bio)polymeric textile surfaces (BIOTIC)
Referencia
219665
Duración
Coste del
proyecto
01-04-2008 hasta 31-03-2010
223.288 EURO
UNIVERSITEIT GENT
Organización: Sint Pietersnieuwstraat 25 (BELGIUM)
Descripción
The general aim of the research is to functionalize textile materials using modern
biotechnology.
Título
Biopolymer-based nanoparticle smart drug delivery systems and their
biopharmaceutical application by oral administration
(BIONANOSMART_DDS)
Referencia
221111
Duración
Coste del
proyecto
01-10-2008 hasta 30-09-2010
216.049 EURO
UNIVERSIDAD DE SANTIAGO DE COMPOSTELA
Organización: Pazo de San Xerome - Plaza do Obradoiro s/n
Descripción
This initiative aims to gain both fundamental understanding and applied
knowledge on novel polysaccharide-based nanoparticles to be utilized as smart
advanced delivery systems of therapeutic biomacromolecules for oral
administration.
Título
Development of smart polymer surfaces
Referencia
29540
Duración
01-01-2006 hasta 31-12-2009
UNIVERSITY OF MARIBOR
Organización: MARIBOR (SLOVENIJA)
Descripción
The overall objective of the project is to increase the knowledge and research level
of the Institute of Textiles at the University of Maribor, on the creation of tailored
and/or smart fibre forming polymers and materials that would be able to control
the realise of various active compounds, or to create tailored fibre surface
properties for different end-applications in the area of technical textiles, such as
medical, therapeutic, hygienic and protective textiles.
72
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ANEXO III. GRUPOS DE INVESTIGACIÓN
A continuación se muestra un listado no exhaustivo de grupos de investigación
españoles que estudian los polímeros inteligentes.
Departamento de Biomateriales
para cirugía mínimamente invasiva y para aplicaciones dentales; drogas
poliméricas y sistemas de vectorización; nuevos sistemas poliméricos
biodegradables para cirugía y farmacia; utilización de tecnología de sistemas
http://www.ictp.csic.es/
Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros
Líneas de investigación: preparación de formulaciones acrílicas autocurables
supercríticos para la preparación de sistemas de dosificación de medicamentos
y principios bioactivos.
Director del Departamento: Julio San Román
Departamento de Química Macromolecular
http://www.ictp.csic.es/qm/
▪ Grupo de Policondensación y Membranas Poliméricas
(http://www.ictp.csic.es/qm/paginaWEB.htm)
Profesores de Investigación: Javier de Abajo y José G. de la Campa
▪ Grupo de Modificación Química y Geles Poliméricos
(http://www.ictp.csic.es/qm/modgels/index.html)
Profesor de Investigación: Carmen Mijangos Ugarte
Departamento de Nanociencia Molecular y Materiales Orgánicos
http://www.icmab.es/icmab/es
http://www.icmab.es/nmmo/
Barcelona
Instituto de Ciencia de Materiales de
Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
http://www.ictp.csic.es/bm/es/inicio.htm
Líneas de investigación: materiales moleculares multifuncionales, nanociencia
molecular, y nanotecnología molecular.
Director del Departamento: Jaume Veciana Miró
Departamento de Química del Estado Sólido
http://www.icmab.es/dciqes/lqes/index.html
Entre sus líneas de investigación se encuentran los materiales electroactivos
poliméricos e inorgánicos para almacenamiento de energía, baterías,
supercondensadores, entre otros.
Jefe del Departamento: Amparo Fuertes Miquel
73
E.T.S. de Ingenieros Industriales
http://www.uva.es/
Universidad de Valladolid
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Dpto. Física de la Materia Condensada, Cristalografía y Mineralogía
Grupo de Investigación BIOFORGE
http://www.bioforge.uva.es/index.php?option=com_content&view=frontpage&Itemid=1
Nuevos materiales “smart”. Capaces de reaccionar de forma muy eficaz y rápida a una
enorme variedad de estímulos externos (temperatura, pH, iluminación, redox, etc) sobre
bases polímeras biocompatibles.
Responsable: José Carlos Rodríguez Cabello
Facultad de Farmacia
Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica
Directora: Irene T. Molina Martínez
Facultad de Farmacia
Departamento de Química Física II (Físico-Química Farmacéutica)
http://www.ucm.es/
Universidad Complutense de Madrid
http://www.ucm.es/info/galenica/
http://www.ucm.es/info/farmacia/
Director: Francisco García Blanco
Facultad de Ciencias Químicas
Departamento de Química Orgánica I
http://www.ucm.es/info/quimorga/index.htm
Director: Diego Armesto Vilas
Facultad de Medicina
Departamento de Bioquímica y Biología Molecular III
Grupo "Materiales poliméricos para la liberación controlada de compuestos
bioactivos en Biomedicina"
Escuela Politécnica Superior
Departamento de Tecnología Electrónica
Grupo de Displays y Aplicaciones Fotónicas
www.uc3m.es
Universidad Carlos III de Madrid
http://www.ucm.es/info/mplibc/index.htm
http://www.uc3m.es/portal/page/portal/grupos_investigacion/grupo_displays_aplicacione
s_fotonicas
Áreas de trabajo: comportamiento electroóptico de pantallas de cristal líquido; aplicaciones
electrónicas y fotónicas en Tecnología de la Rehabilitación; sensores ópticos y
optoelectrónicos para aplicaciones industriales y dispositivos fotónicos para
Comunicaciones.
Director del Departamento: Jose Manuel Sánchez Pena
74
www.upv.es
Centro de Biomateriales e Ingeniería Tisular
Valencia
Universidad Politécnica de
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
http://www.upv.es/cb/index-es.html
La actividad de investigación del Centro de Biomateriales se ha centrado en los
biomateriales poliméricos, materiales biocompatibles de naturaleza polimérica.
Director del Centro: José Luis Gómez Ribelles
Facultad de Farmacia
Departamento de Farmacia y Tecnología Farmacéutica
Grupo I+D Farma
http://www.usc.es/i+dfarma/investigacion.htm
Entre sus líneas de investigación se encuentran: los biomateriales funcionalizados para
sistemas de liberación de medicamentos; hidrogeles como sistemas avanzados de
www.usc.es
Universidad de Santiago de Compostela
http://www.usc.es/tfarm/
liberación de medicamentos.
Responsables: R. Martínez Pacheco y A.J. Concheiro Nine
Facultad de Física
Departamento de Física de la Materia Condensada
http://www.usc.es/matcond/web.php/Castelan/Inicio
Grupo de Física de Coloides y Polímeros
http://www.usc.es/gfcp/
Una de sus líneas de investigación es la síntesis y caracterización de copolímeros de
bloque, como medio de solubilización, transporte y liberación de fármacos
Departamento de Física Aplicada
http://www.ual.es/
Universidad de Almería
Coordinador del grupo: Victor Mosquera Tallon
Grupo Interdisciplinar de Física de Fluidos Complejos
http://www.ual.es/GruposInv/FQM-230/home_explorer.htm
Entre sus líneas de investigación se encuentran: las estructuras poliméricas
entrecruzadas, transiciones de fase en microgeles, liberación controlada.
Responsable: Antonio José Fernández Barbero
75
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Departamento de Química Física
Grupo de Nuevos Materiales y Espectrocopia Supramolecular
http://www.ehu.es/
Universidad del País Vasco
Facultad de Farmacia
http://www.quimicafisica.ehu.es/s0039con/es/contenidos/informacion/00039_grupos/es_00039_gr/00039_grupos.html
Líneas de Investigación (entre otras): síntesis y caracterización de hidrogeles con
aplicaciones en liberación de fármacos y eliminación de contaminantes y síntesis y
caracterización de nanogeles inteligentes con aplicaciones en el tratamiento de
tumores cancerígenos.
Universidad Politécnica de
Cartagena
Universidad Nacional de
Educación a Distancia
Director del Departamento: Luis Carlos Cesteros Iturbe
Centro de ElectroQuímica y Materiales Inteligentes
www.upct.es
http://www.upct.es/electroquimica/laboratorio/
Líneas de investigación: electropolimerización de polímeros conductores; propiedades
electroquímicas de polímeros conductores; aplicaciones electroquímicas de polímeros
conductores; tratamientos teóricos y simulaciones de sistemas poliméricos y
supramoleculares.
(UNED) www.uned.es
Director del Centro: Toribio Fernández Otero
Facultad de Ciencias
Departamento Ciencias Analíticas
http://www.uned.es/dpto-ciencias-analiticas/index.htm
76
biomédicas; estudios con modelos in vivo para aplicaciones óseas concretas;
diseño y elaboración de equivalentes tisulares destinados a la reconstrucción
mandibular; materiales para la prevención y el tratamiento de la infección
ósea; estudios de biocompatibilidad con líneas celulares.
http://factotem
-cm.net/
Responsable: María Vallet Regí
Líneas de trabajo destacadas: nuevos sensores fotónicos; dispositivos híbridos
http://www.ucm.es
/info/materyener/
http://www.ucm.es/info/in
org/biointel/biointel.htm
Líneas de trabajo destacadas: obtención de materiales para aplicaciones
Líneas de trabajo destacadas: preparación y caracterización muy detallada de
http://www.nanociencia.im http://www.materiales.i
mdea.org/
dea.org/Default.aspx
FACTOTEM
MATERYENER
IMDEA Materiales
IMDEA Nanociencia
PROGRAMAS DE I+D COMUNIDAD DE MADRID
BIOINTEL
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Áreas de investigación: técnicas de procesado, diseño y aplicación de
de fibra óptica y cristal líquido; láseres de semiconductor y fibra de alto brillo;
redes ópticas de sensores y datos; LEDs para señalización y seguridad vial;
micropantallas; comunicaciones ópticas en el entorno aeroespacial.
nuevos materiales para: baterías de litio, pilas de combustible; dieléctricos,
magnéticos, porosos ordenados, cerámicos, cerámicas magnéticas, polímeros
mixtos; comportamiento reológico de sistemas poliméricos y de sus mezclas;
química de Intercalación; Resonancia Magnética Nuclear de sólidos.
materiales estructurales avanzados en los sectores aeroespacial, automoción y
generación de energía; materiales estructurales híbridos en diferentes escalas
de integración; materiales estructurales inteligentes; materiales a la carta
(biomimetica, optimización microestructural, auto-ensamblaje).
Director: Javier LLorca
Nanociencia molecular; microscopías de proximidad y superficies;
nanomagnetismo; nanobiosistemas: biomáquinas y manipulación de
macromoléculas; nanoelectrónica y superconductividad; nanoestructuras
semiconductoras y nanofotónica.
Director: Rodolfo Miranda
77
Departamento de Nuevos Materiales
http://www.cidetec.es/
(Centro de Tecnologías Electroquímicas)
CIDETEC
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
http://www.cidetec.es/presentacion/01quienes_frameset.htm
Esta organizado en seis unidades de I+D:
Unidad de Biomateriales, Unidad de Electroópticos, Unidad de Síntesis, Unidad
de Sensores y Actuadores, Unidad de Nanotecnologías y Unidad de
Magnetismo.
Director del Departamento: José Adolfo Pomposo
78
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ANEXO IV. TESIS DOCTORALES
En la siguiente tabla se muestran las tesis doctorales entre los años 2005 y 2009, cuya temática principal son los polímeros inteligentes.
TITULO
Smart Polymer Materials
AUTOR
Kuruwita-
FECHA
2008
NOTA
Photochromic superabsorbent polymers with a hydrophilic core and a photochromic shell were
Mudiyanselage,
prepared by inverse suspension polymerization. The influence of the polymerization parameters on
Thilini D.
the properties of the superabsorbent polymers, water absorption, morphology of the polymers,
swelling kinetics, salt resistance, and the reversibility of water absorption were investigated.
Smart Membranes: Hydroxypropyl Cellulose
Heitfeld, Kevin A.
4/05/2007
for Flavor Delivery
This work focuses on the use of temperature responsive gels (TRGs) (polymeric hydrogels with a
large temperature-dependent change in volume) for flavor retention at cooking temperatures.
Specifically, they have studied a gel with a lower critical solution temperature (LCST) that swells at
low temperatures and collapses at high temperatures.
Síntesis y caracterización de polímeros
Arias Pardilla,
conductores basados en anilinas sustituidas y
Joaquín
31/10/2006
Universidad de Alicante
01/12/2006
El trabajo desarrollado en esta tesis pretende hacer hincapié en las relaciones existentes entre
su aplicación en electrocatálisis
Caracterización y optimización electroquímica
Padilla Martínez,
de dispositivos electrocrómicos duales basados
Javier
procesos electroquímicos y cambios de color, sobre la base de dos aspectos: estudio individual de los
materiales constituyentes, y estudio del sistema dual. El objetivo es la optimización, tanto de los
en polímeros conductores
procesos electroquímicos como ópticos, de sistemas duales de polímeros conductores, obteniendo
metodologías experimentales capaces de caracterizar, predecir teóricamente, y finalmente diseñar
dispositivos electrocrómicos duales óptimos.
The potential commercialization of neuronal
replacement therapy using smart polymers
Dutt, Anindita
31/07/2006
NeuroBioChip Device is a programmable, biocompatible, biodegradable, polymer matrix which
allows the growth and programming of donor neurons. It creates a microenvironment conducive for
neuronal outgrowth and promises a novel cure for neurological disorders caused by localized sites of
brain damage, such as Parkinson's disease, stroke, and spinal injury. This chip is being researched in
79
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
TITULO
AUTOR
FECHA
NOTA
the MIT laboratories of Drs. Robert Langer and Mriganka Sur. This thesis addresses the challenges
and possible strategies in commercializing this technology. The need for this treatment was evaluated
in the context of current therapies available for the treatment of relevant neurological disorders.
Sistemas macromoleculares con actividad
Parra Cáceres, Juan
2006
Universidad de Salamanca
Sistemas poliméricos inteligentes con
Pérez Ibáñez,
2006
Universidad Complutense de Madrid
entrecruzamiento biodegradable
Paloma
Exploring individual supramolecular
Zou, Shan
2005
Molecular level visualization, sensing (by force), manipulation, and control of supramolecular
farmacológica. Análisis in vitro de su
biocompatibilidad y bioactividad a nivel celular
interactions and stimuli-responsive polymers
assemblies and polymeric materials have been explored in this Thesis on the nanoscale using self-
by afm-based force spectroscopy
assembled monolayers (SAMs) and atomic force microscopy (AFM)-based platforms.
80
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
ANEXO V. CRITERIOS DE BÚSQUEDA
Uno de los objetivos del CIMTAN es promover y difundir las prácticas de la
Vigilancia Tecnológica. En el siguiente anexo se indican las bases de datos empleadas para
la búsqueda de publicaciones científicas, patentes, proyectos y grupos de investigación y
tesis doctorales.
En la siguiente tabla se muestran las palabras clave empleadas para la localización de
artículos científicos y patentes de invención, así como el número de resultados obtenidos
para el periodo de tiempo comprendido entre los años 2005 y 2009 (datos actualizados a
fecha de julio de 2009). De esta manera, la información extraída podrá ser actualizada
periódicamente, según las necesidades que surjan.
Web of Knowledge (WoK)
Palabras clave
POLÍMEROS INTELIGENTES
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
SECTOR TEXTIL
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(fiber OR fibre OR cloth* OR textile OR nanotextile OR garmet)
SECTOR ENERGÍA
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(energy* OR fuel cell* OR photovolta*)
SECTOR AUTOMOCIÓN
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(automotive*)
SECTOR BIOMEDICINA
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(bio* OR medical OR medicine OR health OR drug*)
SECTOR TECNOLOGÍAS ELECTRÓNICAS
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=((technolog* SAME information) OR electr* OR comunication*)
SECTOR CONSTRUCCIÓN
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
Artículos
Patentes
824
152
65
21
78
17
1
5
422
47
309
77
74
9
81
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
Web of Knowledge (WoK)
Palabras clave
Artículos
Patentes
39
21
4
13
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(build* OR construct* OR civil engineering)
SECTOR AEROESPACIAL
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(aerospace* OR aero* OR space* OR aircraft)
SECTOR AGROALIMENTACION
TS=(smart* SAME polymer*) OR TS=(stimuli* SAME responsive* SAME
polymer*) OR TS=(environmental* SAME sensitive* SAME polymer*) OR
TS=(intelligent* SAME polymer*)
AND TS=(food packaging OR agriculture OR greenhouse OR food technology
OR packaging)
Para la búsqueda de proyectos de investigación se emplearon los siguientes enlaces:
▫
Servicio de Información Comunitario sobre Investigación y Desarrollo: CORDIS
(http://cordis.europa.eu/search/index.cfm?fuseaction=proj.advSearch)
▫
Sistema madri+d (http://www.madrimasd.org/)
▫
Universidad Complutense de Madrid (http://www.ucm.es/)
▫
Universidad de Valencia (http://www.uva.es/)
▫
Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (CSIC) (http://www.ictp.csic.es/)
▫
Universidad de Santiago de Compostela (http://www.usc.es/)
Para la búsqueda de grupos de investigación se emplearon los siguientes enlaces:
▫
Web of Knowledge (WoK) (http://www.fecyt.es/fecyt/home.do)
▫
Sistema madri+d (http://www.madrimasd.org/)
▫
Universidad Complutense de Madrid (http://www.ucm.es/)
▫
Universidad de Valencia (http://www.uva.es/)
▫
Instituto de Ciencia y Tecnología de Polímeros (CSIC) (http://www.ictp.csic.es/)
▫
Universidad Politécnica de Valencia (www.upv.es)
▫
Universidad de Santiago de Compostela (www.usc.es)
Para la búsqueda de tesis doctorales se empleó el siguiente enlace:
▫
Oaister (http://www.oaister.org/)
▫
Teseo (https://www.micinn.es/teseo/login.jsp)
82
VT- Polímeros Inteligentes y Aplicaciones
83